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ALINE CRISTINA FERREIRA VENTURA
Seleção de materiais plásticos resistentes a riscos para componentes
automotivos
São Paulo
2018
ALINE CRISTINA FERREIRA VENTURA
Seleção de materiais plásticos resistentes a riscos para componentes
automotivos
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Ciências Orientador: Prof. Dr. Marcelo Massarani
São Paulo
2018
ALINE CRISTINA FERREIRA VENTURA
Seleção de materiais plásticos resistentes a riscos para componentes
automotivos
Dissertação apresentada à Escola Politécnica da Universidade de São Paulo para obtenção do título de Mestre em Ciências Área de Concentração: Engenharia Automotiva Orientador: Prof. Dr. Marcelo Massarani
São Paulo
2018
Este exemplar foi revisado e alterado em relação à versão original, sob
responsabilidade única do autor e com a anuência de seu orientador.
São Paulo, _______de_____________________de 2018
Assinatura do autor: _____________________
Assinatura do orientador: ____________________
Catalogação-na-publicação
Ventura, Aline Cristina Ferreira Ventura Seleção de materiais plásticos resistentes a riscos para componentes automotivos / A. C. F. Ventura -- versão corr. -- São Paulo, 2018. 140 p. Dissertação (Mestrado) - Escola Politécnica da Universidade de São Paulo. Centro de Engenharia Automotiva. 1.Seleção de plásticos 2.Risco 3.Índice de mérito I.Universidade de São Paulo. Escola Politécnica. Centro de Engenharia Automotiva II.t.
AGRADECIMENTOS
Agradeço à instituição, aos professores participantes da banca e aos educadores
que contribuíram com a minha formação, especialmente ao meu orientador, o Prof.
Dr. Marcelo Massarani pelo seu incentivo e colaboração durante este trabalho.
A Fiat Chrysler por ter me proporcionado a oportunidade valiosa de participar do
programa de Residência Tecnológica contemplado dentro do projeto INOVAR Auto.
A minha querida família por compartilhar minhas experiências e oportunidades. Com
afeto e dedicação ao meu filho querido Lucca.
A persistência é o caminho do êxito.
(Charles Chaplin)
RESUMO
Este estudo se refere a um método para selecionar os materiais plásticos resistentes
a riscos mais adequados para peças automotivas. Estabelecer este procedimento é
fundamental para as montadoras devido à versatilidade, qualidade e custo
competitivo que os polímeros apresentam. Contudo, essa é uma atividade árdua,
pois nota-se a ausência de profissionais familiarizados em trabalhar com materiais
plásticos e a existência de milhares de materiais disponíveis para utilização. Deste
modo, formular um processo estruturado para facilitar a seleção de plásticos tem
como objetivo minimizar os riscos e erros do projeto. Portanto, o processo concebido
para esta pesquisa foi gerado a partir da estratégia de seleção desenvolvida por
Ashby, método tido como referência na área. Além deste, também foram utilizados
conceitos da matriz de decisão de Pahl & Beitz, incluindo índice de mérito. Dois
exemplos de aplicação da metodologia são apresentados através de estudos de
caso, com os componentes tampa do porta-luvas e base do espelho lateral.
Palavras-Chave: Seleção de plástico. Risco. Índice de mérito.
ABSTRACT
This dissertation work is focused on a method to select the most suitable plastic
material with scratch resistance for automotive parts. This process is essential for the
automakers due to the versatility, improved quality and cost competitiveness of resin
materials. Nonetheless, the lack of professionals specialized in plastic materials and
the large variety of polymeric materials makes the proper material selection
challenging. In this way, it is necessary to define a systematic method to simplify
polymeric materials selection in order to reduce the project risks and errors. For this
reason, the process proposed in this study was generated based from the selection
strategy developed by Ashby, as this is a reference in the field. In addition, two other
concepts were adopted: Pahl & Beitz decision matrix and merit index. In order to
evaluate this systematic method, two case studies were analyzed: glove
compartment and side mirror base.
Keywords: Polymer selection. Scratch deformation. Index of merit.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Seleção de materiais: evolução e opções ................................................ 22
Figura 2 - Tendência em longo prazo do uso de polímeros compósitos e
plásticos em veículos .............................................................................. 23
Figura 3 - Classificação dos polímeros .................................................................... 25
Figura 4 - Vedação do vidro da porta – FIAT Punto ................................................. 26
Figura 5 - Plásticos de engenharia para aplicações automotivas............................. 27
Figura 6 - Duas diferentes configurações, (a) influência da deformação
plástica e (b) influência do desgaste (perda de massa) .......................... 32
Figura 7 - Cinco modos de riscos distinguíveis em uma superfície
danificada de acordo com o incremento da força normal ........................ 33
Figura 8 - Riscos próximo a ignição ........................................................................ 34
Figura 9 - Riscos no painel ...................................................................................... 34
Figura 10 - Riscos na região da porta ....................................................................... 34
Figura 11 - Imagem do equipamento de teste de riscos ........................................... 37
Figura 12 - Contorno do comprimento do risco referente à resistência do
risco. A magnitude de L é obtida utilizando a técnica de perfilometria. .. 38
Figura 13 - O plástico com modificações pode ser movido para qualquer
posição na figura atendendo a diferentes requisitos. ............................. 40
Figura 14 - Teste de dureza ...................................................................................... 44
Figura 15 - Testes de Izod e Charpy ......................................................................... 45
Figura 16 - Influência do raio da ponta do entalhe na resistência ao impacto
de alguns termoplásticos (observar a escala logarítmica utilizada para
expressar o raio). .................................................................................... 45
Figura 17 - Orientação de moléculas, (A) randomicamente dispostas e (B)
alinhadas ................................................................................................ 46
Figura 18 – Teste de flexão. ...................................................................................... 47
Figura 19 - Significados do ensaio de tração ............................................................ 49
Figura 20 – Equipamento para teste do índice de fluidez. ........................................ 53
Figura 21 - Teste de deflexão .................................................................................... 54
Figura 22 - Representação esquemática da etapa de iniciação da fotooxidação...... 55
Figura 23 - Diagrama esquemático de um glossímetro (a) e micro-TRI-gloss,
glossímetro (b)........................................................................................ 57
Figura 24 – Fenômeno da metameria ....................................................................... 58
Figura 25 – Teste de fadiga com 3 pontos de flexão. ................................................ 65
Figura 26 - Teste de fadiga com 4 pontos de flexão. ................................................ 65
Figura 27 - Teste de Voigt-Maxwell ........................................................................... 67
Figura 28 - a) Curvas de fluência calculadas segundo o modelo de Voigt,
apresentadas em escala linear e logarítmica ......................................... 67
Figura 29 - Esboço de processos de conformação e moldagem de plásticos,
elastômeros e materiais compósitos. (TP = termoplástico, TS =
termofixo, E = elastômero) ...................................................................... 69
Figura 30 - Relação entre custo relativo por unidade fabricada e produtividade dos
principais processos de fabricação de produtos poliméricos .................. 71
Figura 31 - Esquema de moldagem por injeção (a) por embolo e (b) parafuso rotativo
alternativo ............................................................................................... 72
Figura 32 - Relação entre a faixa de pressões para moldagem por injeção e
viscosidade aparente dos polímeros nas suas respectivas faixa de
temperatura de processamento. ............................................................. 74
Figura 33 - (a) Esquema de um parafuso extrusor típico (b) geometria de um
parafuso extrusor.................................................................................... 75
Figura 34 - Importância da seleção de materiais no desenvolvimento do produto .... 78
Figura 35 - Problema central da seleção de materiais no projeto mecânico: a
interação entre função, material, forma e processo................................ 79
Figura 36 - Taxonomia dos materiais, da esquerda para a direita, classificados por
reinos (kingdom), famílias (family), classes e tipos de membros (class &
member) e atributos dos materiais. ........................................................ 80
Figura 37 - O “afunilamento” de um típico procedimento de seleção de materiais e
alguns critérios de decisão ao longo do evento ...................................... 82
Figura 38 - Um exemplo dos mapas das propriedades dos materiais como
inicialmente desenvolvidos (mapa módulo de Young versus
densidade) ............................................................................................... 83
Figura 39 - Processo sistemático de seleção ............................................................ 84
Figura 40 - A estratégia para seleção de materiais ................................................... 87
Figura 41 - Propriedades materiais – a ligação entre a estrutura e o desempenho .. 88
Figura 42 - Diagrama esquemático E-ρ que apresenta um limite inferior para E e um
limite superior para ρ .............................................................................. 91
Figura 43 - Tampa do porta-luvas (modelo Peugeot 107) ....................................... 101
Figura 44 - Balanço de propriedades ...................................................................... 109
Figura 45 - Base do espelho lateral ......................................................................... 110
Figura 46 - Vista da geometria externa do retrovisor (parte traseira) ...................... 110
Figura 47 - Características PC/ASA WX-7010 ........................................................ 118
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Tabela de propriedades materiais .......................................................... 42
Tabela 2 - Considerações de projeto ...................................................................... 51
Tabela 3 - Sensibilidade espectral de alguns polímeros comerciais ....................... 55
Tabela 4 - Escala do teste olfativo .......................................................................... 59
Tabela 5 - Técnica de injeção - características ....................................................... 74
Tabela 6 - Técnica de extrusão - características ..................................................... 77
Tabela 7 - Características de desempenho material ............................................... 89
Tabela 8 - Requisitos técnicos ................................................................................ 90
Tabela 9 - Índices de mérito para projetos regidos por rigidez e resistência
mecânica. ............................................................................................... 93
Tabela 10 - Escala de valor ....................................................................................... 95
Tabela 11 - Matriz de decisão para avaliação de produto ......................................... 96
Tabela 12 - Especificações por desempenho (tampa do porta-luvas) ..................... 102
Tabela 13 - Propriedades mecânicas (tampa do porta-luvas) ................................. 103
Tabela 14 - Índice de mérito (tampa do porta-luvas) ............................................... 104
Tabela 15 - Técnica ponderacional (tampa do porta-luvas) .................................... 106
Tabela 16 - Especificações por desempenho (base do espelho lateral retrovisor) . 112
Tabela 17 - Propriedades mecânicas (base do espelho lateral retrovisor) .............. 113
Tabela 18 - Índice de mérito (base do espelho lateral retrovisor) ............................ 114
Tabela 19 - Técnica ponderacional (base do espelho lateral retrovisor) ................. 116
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABS Acronitrila Butadieno Estireno
ACC American Chemistry Council
ASA Acronitrila Estireno Acrilato
ASTM American Society for Testing and Materials
BMW Bayerische Motoren Werke
BVSE Bundesverband Sekundärrohstoffe und Entsorgung e.V.
Co Corporation
COF Coeficiente de Atrito
CTFE Fluoroplástico
CTE Coeficiente Térmico de Expansão
DIN Deutsches Institut für Normung
DTUL Deflection Temperature of Plastics Under Flexural Load
E Módulo de Elasticidade (Young)
E Elastômero
F Força
FIAT Fábrica Italiana Automobilística de Turim
FMVSS Federal Motor Vehicle Safety Standards
G Geometria
GE General Electric
GM General Motors
GU Unidades de brilho
IDS Integrated Defense Systems
IM Índice de Mérito
Inc Incorporação
ISO International Organization for Standardization
NASA National Aeronautics and Space Administration
NHTSA National Highway Traffic Safety Administration
OEM Original Equipment Manufacturer
PA Poliamida
PBT Tereftalato de Polibutileno
PC Policarbonato
PE Polietileno
PET Politereftalato de etileno
PMMA Poli Metil Metacrilato
PP Polipropileno
PPO Polioxifenileno
PS Poliestireno
PVC Policloreto deVinila
SAE Society of Automotive Engineers
SEBRAE Serviço Brasileiro de Apoio às Micro e Pequenas Empresas
SR Scratch Resistance
TP Termoplástico
TPO Poliolefina Termoplástica
TS Termofixo
UV Ultra-violeta
VDA Verband der Automobilindustrie
VIAQ Vehicle interior air quality
VOC Componentes orgânicos voláteis
VW Volkswagen
LISTA DE SÍMBOLOS
% Porcentagem
°C Grau Celsius
CaCO3 Carbonato de Cálcio
cm Centímetro
cm2 Centímetro Quadrado
COF Coeficiente de Atrito
CTE Coeficiente Térmico de Expansão
σ Resistência
ε Deformação
E Módulo de Elasticidade (Young)
EUR Moeda Euro
F Força
G Geometria
in Polegada
Hs Número de Dureza ao Risco
J Joule
Kg Quilograma
Kgf Quilograma Força
Klc Tenacidade à fratura
m2 Metro Quadrado
mm Milímetro
mm2 Milímetro Quadrado
M Propriedades do Material
N Newton
π Pi
P Métrica de Desempenho
Pa Pascal
SW1 Largura do Risco
ρ Densidade
s Segundo
t Tempo
US United States
US$ Moeda Dólar Americano
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ............................................................................................. 18
1.1 OBJETIVO GERAL...................................................................................... 20
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS ........................................................................ 20
1.3 ESTRUTURA DA PESQUISA ................................................................ .....20
2 PLÁSTICOS DE ENGENHARIA PARA AUTOMÓVEIS ............................. 22
2.1 HISTÓRICO ................................................................................................. 22
2.2 DEFINIÇÃO ................................................................................................. 23
2.3 DESAFIOS E APLICAÇÕES DE POLÍMEROS PARA AUTOMOTIVEIS ... 26
2.4 MATERIAIS PLÁSTICOS RESISTENTES A RISCO .................................. 31
2.5 INFLUÊNCIA DE ADITIVOS EM MATERIAIS RESISTENTES A RISCO ... 35
2.6 PRINCIPAIS PROPRIEDADES MATERIAIS .............................................. 39
2.6.1 Dureza superficial ........................................................................................ 43
2.6.2 Resistência ao impacto (tenacidade) ........................................................... 44
2.6.3 Módulo de flexão (rigidez) ............................................................................ 47
2.6.4 Módulo de elasticidade (resistência à tração) .............................................. 47
2.6.5 Contração no molde ..................................................................................... 49
2.6.6 Absorção de umidade .................................................................................. 51
2.6.7 Índice de fluidez ........................................................................................... 52
2.6.8 Deflexão sob ação de cargas ....................................................................... 53
2.6.9 Resistência a radiação ultravioleta (intempérismo) ...................................... 54
2.6.10 Brilho (brilho especular) ................................................................................ 57
2.6.11 Colorimétria .................................................................................................. 57
2.6.12 Resistência a odor ........................................................................................ 59
2.6.13 Emissão de formaldeído ............................................................................... 60
2.6.14 Emissão de FOG, componente orgânico volátil (VOC) ................................ 60
2.6.15 Resistência a chamas (flamabilidade) .......................................................... 61
2.6.16 Resistência química ..................................................................................... 62
2.6.17 Densidade .................................................................................................... 63
2.6.18 Resistência à fadiga ..................................................................................... 64
2.6.19 Resistência à deformação em longo prazo (fluência ou creep) .................... 66
2.7 PROCESSOS .............................................................................................. 68
2.7.1 Injeção..... ..................................................................................................... 72
2.7.2 Extrusão.... ................................................................................................... 75
3 SELEÇÃO DE MATERIAIS .......................................................................... 78
3.1 MÉTODOS DE SELEÇÃO DE MATERIAIS ................................................ 81
4 MÉTODO PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS PLÁSTICOS
RESISTENTES A RISCOS ......................................................................... 86
4.1 ETAPA 1 – ANÁLISE DOS REQUISITOS DO PROJETO ........................... 87
4.2 ETAPA 2 – FILTRO DOS MATERIAIS CANDIDATOS .............................. 922
4.3 ETAPA 3 – SELEÇÃO DOS MATERIAIS CANDIDATOS ............................ 94
4.4 ETAPA 4 – PROCURAR DOCUMENTAÇÃO .............................................. 99
5 ESTUDOS DE CASO ................................................................................ 100
5.1 PROPOSTA DA PEÇA – TAMPA DO PORTA-LUVAS ............................ 100
5.1.1 Identificação das funções e definição dos requisitos – tampa do porta-
luvas........ ................................................................................................... 101
5.1.2 Filtro dos materiais candidatos – tampa do porta-luvas ............................. 104
5.1.3 Seleção do material – tampa do porta-luvas .............................................. 105
5.1.4 Documentação dos materiais selecionados – tampa do porta-luvas ......... 108
5.2 PROPOSTA DA PEÇA – BASE DO ESPELHO LATERAL
RETROVISOR ........................................................................................... 110
5.2.1 Identificação das funções e definição dos requisitos – base do
espelho lateral retrovisor ........................................................................... 111
5.2.2 Filtro dos materiais candidatos – base do espelho lateral retrovisor ......... 114
5.2.3 Seleção do material – base do espelho lateral retrovisor .......................... 115
5.2.4 Documentação dos materiais selecionados – base do espelho
lateral retrovisor ......................................................................................... 117
5.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS ................................................................ 119
6 ANÁLISE DO MÉTODO PROPOSTO.......................................................121
6.1 ASPECTOS NEGATIVOS ......................................................................... 122
6.2 ASPECTOS POSITIVOS .......................................................................... 122
7 CONCLUSÕES ......................................................................................... 124
7.1 TRABALHOS FUTUROS .......................................................................... 125
REFERÊNCIAS ......................................................................................... 127
18
1 INTRODUÇÃO
Os materiais plásticos apresentam um potencial econômico expressivo, ao
considerar os avanços de polímeros no projeto de veículos. Com significantes
implicações na redução de peso do automóvel, permitindo o aumento da eficiência
energética (FUCHS et al, 2008). Além disso, o interior do automóvel normalmente
feito de materiais plásticos dispõe da estética como fator fundamental para atrair os
clientes e deste modo, garantir a competitividade da marca. O Conselho Americano
de Química (American Chemistry Council - ACC) estima que no ano de 2006, 50%
do total de plásticos empregados em veículos comerciais correspondiam a
componentes e peças no interior do automóvel (National Highway Traffic Safety
Administration - NHTSA, 2007).
Logo, materiais plásticos (compostos e resinas) são usados em inúmeras
peças no interior do veículo, como painel de instrumentos, painéis das portas, porta
luvas e revestimento das colunas devido a sua versatilidade, extensa faixa de
propriedades físicas e mecânicas, processabilidade e relativo custo baixo (NOH et
al, 2011).
Portanto, Noh et al (2011), pesquisadores do time de Pesquisa de Materiais
Poliméricos da Hyundai Motor Co., afirmam que a resistência ao risco é um dos
requisitos chaves para materiais moldados com cor principalmente para aplicações
no interior do automóvel. Este assunto é um dos maiores desafios para os
engenheiros da indústria automotiva que trabalham com estes materiais. O
fenômeno do risco em materiais plásticos consiste na deformação da superfície por
força de atrito externa e normalmente acompanha embranquecimento da área
danificada. O nível do dano causado pelo risco depende da velocidade, força,
geometria do objeto responsável pelo dano, profundidade, temperatura ambiente,
umidade, pigmentos utilizados (cor) e tribologia do material.
Deste modo, é imprescindível entender a relação entre os fatores citados
anteriormente com a propriedade de resistência ao risco, pois este elemento
influencia o resultado final do produto e inclusive o plano estratégico da empresa,
pois:
19
O conceito de durabilidade do produto é afetado negativamente diante da
quantidade percebida de riscos, logo o produto deixa de atender as
expectativas do cliente;
O consumidor almeja por um produto com aspecto novo mesmo depois de um
período de uso;
A resistência ao risco gera um elevado valor de reconhecimento da marca,
principalmente em relação à frotistas (UBER, Lyft, entre outros) e taxistas;
O emprego de materiais resistentes ao risco permite um preço maior na
revenda do veículo mesmo após o uso extensivo do mesmo;
É gerada uma relação de fidelização do cliente em relação à marca e
consequentemente aos seus produtos, que por fim influência positivamente
na aquisição de novos automóveis da mesma marca.
Outro desafio às empresas é aliar o melhor desempenho do produto a um
custo competitivo, em face aos prazos para lançamento de produtos cada vez
menores. Por isso, a seleção de materiais é um fator que afeta diretamente o
resultado final do projeto.
Segundo Shanian e Savadogo (2006), tradicionalmente a escolha de um novo
material acontece quando suas características são conhecidas, ou em virtude da
substituição de um material existente por outro com melhor desempenho, em que
especialistas na maioria dos casos trabalham com métodos empíricos, ou
consideram a experiência adquirida em casos anteriores.
No entanto, é visível que a opção por um material inapropriado para
determinada aplicação, pode resultar em falhas na peça e também em custo
desnecessário (DIETER, 1991). Sendo assim, a solução definida pode não
representar às vezes a melhor relação entre custo, estética e desempenho do
material. Ademais, nota-se a ausência de engenheiros e projetistas familiarizados
com propriedades especificas dos materiais plásticos, o que pode produzir uma
análise tão detalhada do projeto.
Neste contexto, um dos fatores que se torna cada vez mais relevante é a
qualidade (estética e bom acabamento superficial – resistência a riscos) de peças
plásticas. Tem-se com isso um potencial que permite desenvolver uma pesquisa
para definir uma metodologia para seleção de materiais plásticos resistentes a riscos
para automóveis. Sendo assim, identifica-se uma oportunidade que favorece a
20
aplicação dos conceitos idealizados por Ashby (2012) em sua obra, sobre a
interação entre a forma, função, material e processo para seleção do material.
1.1 OBJETIVO GERAL
O trabalho tem como objetivo principal desenvolver um processo sistemático
para seleção de materiais plásticos resistentes a riscos para componentes
automotivos, com perspectiva de explorar melhor as propriedades materiais.
1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS
Neste sentido, considera-se como objetivos específicos deste trabalho:
- Identificar materiais resistentes a risco com o intuito de criar um banco de
dados que será utilizado no processo de seleção de materiais.
- Criar um modelo prático com orientações para seleção de materiais
resistentes a risco que contemple a indicação das melhores práticas, utilizando
conceitos de Ashby, Pahl & Beitz e índice de mérito.
- Analisar o desempenho de materiais com custo mais acessível
(commodities) em frente a materiais com maior prática de uso por montadoras.
- Avaliar as consequências que a inexistência de leis brasileiras relacionadas
a baixos níveis de emissões (no habitáculo do veículo) acarretam na venda de
veículos brasileiros no mercado internacional.
1.3 ESTRUTURA DA PESQUISA
Para atingir os objetivos propostos, a pesquisa foi estruturada da seguinte
forma, no capítulo 1 é apresentada a necessidade de se ter um método para seleção
de materiais plásticos resistentes a riscos. Assim como os objetivos e o contexto
geral do desenvolvimento do trabalho que será realizado.
Em seguida, o capítulo 2 tem por finalidade introduzir a definição, origem e
aplicações de materiais plásticos. Também são abordados os desafios inerentes ao
uso deste tipo de material para o desenvolvimento de peças automotivas. Além da
caracterização e importância da propriedade de resistência a riscos. A definição de
outras propriedades materiais associadas a esta classe de materiais e os processos
de manufatura mais usuais são descritos nesta etapa também.
Por sua vez, o capítulo 3 reuniu um levantamento com os métodos mais
utilizados para seleção de materiais e técnicas de ponderação. Neste momento,
21
algumas citações de empresas são realizadas associando a companhia à técnica
empregada.
Posteriormente, o capítulo 4 expõe detalhadamente todas as etapas do
método proposto para seleção de materiais plásticos resistentes a riscos.
Deste modo, o método citado no capítulo anterior é colocado em prática no
capítulo 5, momento em que é realizada a aplicação da técnica em dois estudos de
caso.
Por fim, uma discussão sobre os resultados obtidos é efetuada no capítulo 6,
incluindo aspectos positivos e negativos do método proposto.
O capítulo 7 retoma os principais pontos apresentados no trabalho e formula
as suas conclusões. É colocado em destaque também propostas para estudos
futuros.
22
2 PLÁSTICOS DE ENGENHARIA PARA AUTOMÓVEIS
2.1 HISTÓRICO
A real revolução na indústria automotiva iniciou em 1950, com o
desenvolvimento de novos materiais como o ABS (acronitrila, butaedino e estireno),
poliamida, poliacetal e policarbonato, e posteriormente com a introdução das
blendas de vários polímeros, conforme observa-se na Figura 1. Originalmente, os
materiais poliméricos foram especificados devido a suas boas propriedades
mecânicas combinadas com a sua excelente aparência, incluindo a possibilidade de
coloração do material (DIPAK; LALITKUMAR, 2013).
Figura 1 - Seleção de materiais: evolução e opções
Fonte: Adaptado de ASHBY (2012)
Dipak e Lalitkumar (2013) menciona que a primeira aplicação veicular foi no
modelo Corvette de 1953, e que desde então a aplicação dos componentes plásticos
na indústria automotiva tem crescido, sendo mais expressiva nas últimas décadas
como pode ser visto na Figura 2. Atualmente, os polímeros são usados
principalmente para fabricação de veículos mais eficientes do ponto de vista
energético devido à redução de massa, juntamente com as características
23
fornecidas de durabilidade, resistência à corrosão, resistência a riscos, dureza do
material, flexibilidade de forma, resiliência e alto desempenho a baixo custo.
Figura 2 - Tendência em longo prazo do uso de polímeros compósitos e plásticos em veículos
Fonte: Adaptado de A.T. KEARNEY (2012)
2.2 DEFINIÇÃO DE PLÁSTICOS
Segundo Kalpakjian e Schmid (2001), a palavra plástico é originada do grego
(palavra plastikos), e seu significado é “capacidade de ser moldado e formado”. E o
termo “plásticos” como conhecemos foi introduzido primeiramente em 1909 e depois
amplamente empregado como um sinônimo para polímeros (termo utilizado pela
primeira vez em 1866).
Em vista disso, é significativo que os polímeros tenham suas particularidades
especificadas de acordo com as suas classes distintas. Pois, Silva et. al. (2009)
esclarece que processamento do material polimérico proveniente dos polímeros
termoplásticos ou dos polímeros termofixos acarreta em processos diferentes.
Portanto, Canevarolo Júnior (2006) enfatiza as características técnicas dos materiais
de acordo com o grupo:
Termoplástico – material plástico que quando submetido a um aumento de
temperatura e pressão possui a capacidade de amolecer e fluir. O polímero
ao ser retirado ocorre então o processo de solidificação do produto com
formas definidas. O efeito equivalente ao amolecimento e fluxo pode ser
24
obtido novamente com a submissão do material a variações de temperatura e
pressão. Logo, essa transformação física é reversível. Conhecidos também
pelas características: fusível, solúvel e reciclável. Exemplos: poliamida
(Náilon), poliestireno (PS), polietileno (PE), e etc.
Termofixo (conhecido também como termorrígido ou termoendurecido) –
material plástico que quando submetido ao aquecimento, sofre uma
transformação química irreversível no processo de cura, com a formação de
ligações cruzadas, tornando-se rígido. Com características infusível e
insolúvel, pois mesmo que seja submetido a aquecimentos subsequentes não
haverá alteração de estado físico e por conta disso, também não haverá
amolecimento. Exemplos: baquelite, resina epóxi.
Neste contexto, ainda em relação ao processamento do material, cabe
destaque a grande diferença existente na viscosidade do material nos dois
processos mencionados anteriormente, com referência a aplicação de texturas. Pois
para os termoplásticos fundidos a viscosidade varia de 100 a 106 Pa.s, enquanto os
termofixos apresentam valores na faixa de 0,1 a 10 Pa.s (MORTON-JONES, 1989).
A importância da texturização em polímeros se deve pelos resultados estéticos
obtidos, tanto do ponto de vista, de tornar o aspecto da peça mais autêntico a
materiais naturais como marfim, couro e diferentes tipos de madeira (com aplicação
de texturas características), mas de também camuflar ou minimizar imperfeições
superficiais e marcas de processamento, ou seja, reduzir rejeitos (SILVA et al,
2009).
Comercialmente, a distinção entre os polímeros pode ser feita também
conforme o grau de diferenciação, nível de consumo, escala produtiva e por fim valor
agregado. Deste modo, estes materiais poliméricos são classificados em: polímeros
para usos gerais (commodities), polímeros para usos específicos (quasi-
commodities) e polímeros de alto desempenho (especialidades) (HEMAIS, 2003). A
representação desse mercado é disposta na Figura 3:
25
Figura 3 - Classificação dos polímeros
Fonte: Adaptado de BOMTEMPO, 1994 apud HEMAIS (2003)
Contudo, é importante ressaltar que polímeros classificados como
commodities podem receber uma modificação em sua estrutura para adquirir
propriedades especificas, como as de polímeros de especialidade que são mais
caros e produzidos em menor escala. Um exemplo recorrente disso segundo Hemais
(2003) é a aplicação do Polipropileno (PP) que pertence ao grupo de commodities e
possui valor bem baixo, mas que tem sido modificado para adquirir um desempenho
melhorado, um exemplo disso no setor automotivo é o componente de vedação do
vidro da porta, do modelo Fiat Punto, que utiliza polipropileno reforçado em talco
(Ver Figura 4).
26
Figura 4 - Vedação do vidro da porta – FIAT Punto
Fonte: ALMEIDA JÚNIOR (2003)
Estes materiais plásticos podem ser formados, usinados, fundidos e unidos
em vários formatos com relativa facilidade. E quando necessário, uma quantidade
mínima de operações adicionais pode ser realizada na superfície final, o que
representa uma importante vantagem em relação aos metais. Os plásticos estão
disponíveis comercialmente na forma de filme, folha, chapa, haste e tubos em várias
seções transversais. E por causa de suas diversas propriedades exclusivas, os
polímeros estão em expansão e estão substituindo componentes metálicos em
inúmeras aplicações. Essas substituições refletem as características mecânicas dos
materiais (KALPAKJIAN; SCHMID, 2001).
2.3 DESAFIOS E APLICAÇÕES DE POLÍMEROS PARA AUTOMÓVEIS
No cenário atual, o uso de materiais plásticos em automóveis é visto como
parte integrante fundamental do produto, pois é extenso e abrange inúmeras
aplicações. A Figura 5 mostra aplicações de diferentes plásticos de engenharia no
projeto veicular. De acordo com a Plastics Europe (2013), os plásticos de
engenharia são o segundo material mais utilizado na manufatura de veículos, pois
representam entre 12 e 15% do total de materiais utilizados em veículos médios com
peso de 1500 kg. Contribuições relevantes estão presentes no projeto do veículo,
através da melhora no desempenho em testes de impacto, aumento considerável na
eficiência energética do produto (significante do ponto de econômico e ambiental) ou
27
ainda nas funcionalidades geométricas e sensoriais que reforçam o elemento de
qualidade no acabamento final.
Figura 5 - Plásticos de engenharia para aplicações automotivas
Fonte: Adaptado de ELETRONIC SPECIFIER (2015)
De acordo com a associação de fabricantes de plásticos, Plastics Europe
(2013), o automóvel moderno têm um número superior a 2000 peças plásticas,
incluindo diferentes formas e tamanhos, desde lanternas, para-choques,
componentes do motor, painel de instrumentos, teto panorâmico, assentos, airbags
e cintos de segurança.
No quesito qualidade, o emprego de materiais poliméricos possibilita a
sofisticação do design, ampla possibilidade de formas e durabilidade. Além disso, de
acordo com a mesma associação, Plastics Europe (2013), rápidas inovações de
design com custo reduzido e a personalização do produto (tailor-made) só são
possíveis de serem implementadas na linha de produção devido à versatilidade dos
polímeros. Hemais (2003) menciona que no Brasil, as montadoras passaram a exigir
que os produtos tivessem o mesmo nível de qualidade que as matrizes, quando a
produção de veículos com plataforma global teve inicio no país.
28
No entanto, estes materiais apesar dos benefícios também possuem
determinadas desvantagens, em relação à reciclagem e níveis de emissões do
material, que necessitam de mais pesquisa e desenvolvimento tecnológico. Segundo
a NHTSA (2007), aspectos importantes relacionados a este assunto têm sido
constantemente citados e representam os desafios recorrentes para o
desenvolvimento futuro do uso de plásticos em automóveis:
1. Desenvolver classificações materiais, padrões de teste e especificações –
Encorajar engenheiros de projeto e fabricantes de equipamentos originais
(Original Equipment Manufacturers - OEMs) para definir plásticos de materiais
concorrentes, os projetistas necessitam ser confiantes na habilidade de atingir
o desempenho requerido na aplicação. Comparando aos metais, os
engenheiros de projeto estão menos familiarizados com os materiais
plásticos. Por isso, a indústria do plástico deve avaliar o desempenho e criar
classificações materiais para caracterizar os seus produtos. Também é
importante enfatizar que a indústria de polímeros é muita rápida no
desenvolvimento de seus materiais em comparação aos materiais
convencionais. Depois, existe a necessidade em atualizar e expandir a
especificação de materiais OEM e os métodos de teste para refletir as
propriedades únicas e a capacidade desses novos materiais.
2. Tornar a segurança automotiva acessível com plásticos em testes de impacto
– Aperfeiçoar a seleção material para componentes de segurança automotiva
irá requerer que plásticos se tornem mais acessíveis, pois o material permite
ganhos de eficiência diretamente na manufatura e processo de montagem do
veículo. Ao mesmo tempo, a percepção entre os clientes de automóveis
necessita ser mudada para estimar o valor das funcionalidades de segurança
possíveis através dos plásticos e consequentemente, aumentar sua
disposição em considerar estas características.
3. Aprimorar a caracterização e modelagem preditiva de plásticos – A melhoria
continua na modelagem preditiva do desempenho na colisão de componentes
plásticos é vital para o fortalecimento da posição dos plásticos como material
automotivo indispensável. Engenheiros automotivos também demandam de
dados de caracterização extensiva de materiais para novos plásticos à
29
medida que estiverem disponíveis. Obtendo confiabilidade, os dados
constitutivos podem exigir um esforço coordenado, em toda a indústria.
4. Melhorar o desempenho em testes de colisão com Gerenciamento de Energia
Otimizado – Controlar a energia de impacto gerada durante uma colisão e
proteger os ocupantes de absorverem demasiadamente essa energia é parte
fundamental da segurança dos veículos. Portanto, componentes e sistemas
plásticos avançados no interior, carroceria, exterior e sistemas de transmissão
são utilizadosdos para permitir que as montadoras gerenciem a energia da
colisão de forma criativa e mais eficaz.
5. Oportunidades plásticas descobertas envolvendo padrões de segurança ativa,
passiva e regulações de redução de peso – Compreender as necessidades
tecnológicas para atender a evolução dos padrões de segurança e regulações
de redução de peso, que estão relacionados à resistência ao choque e a
prevenção da colisão, são elementos necessários para o planejamento de
pesquisas futuras sobre plásticos. A indústria precisa determinar de maneira
mais adequada, os requerimentos de desempenho dos plásticos de novos
padrões de segurança e utiliza-los com novos componentes integrados,
veículos com combustível alternativos, novas opções de transmissão e motor
e uma infraestrutura de transporte. Considera-se que esses assuntos são
oportunidades para otimizar a segurança e a redução de peso com materiais
plásticos, portanto devem ser identificados.
6. Acompanhar mudanças demográficas para população idosa – Em virtude do
crescimento da população de motoristas com mais idade, é necessário
aumentar as medidas de prevenção de sistemas contra colisão para manter
esses passageiros seguros. Pois, muitos motoristas idosos tem baixa
tolerância biomecânica e requerem características de segurança especiais
para evitar acidentes. Com pesquisas direcionadas, os plásticos altamente
versáteis podem possibilitar importantes avanços nas características de
segurança necessários para proteger a população de 65 anos ou mais,
conforme dados do relatório da NHTSA.
30
Diante do que foi exposto anteriormente, enfatiza-se o papel do processo de
desenvolvimento do produto, como sendo um dos processos-chave nas empresas
líderes de mercado. O êxito nas vendas do produto acontecerá pelas empresas com
capacidade de gerar valor de mercado a partir das possibilidades que o produto
pode proporcionar as pessoas que irão adquiri-lo. Portanto, o processo de
desenvolvimento do produto precisa identificar e compreender as necessidades do
mercado (ROZENFELD et al, 2006). Sejam estas necessidades, veículos mais
seguros, eficientes e confortáveis.
Dentro deste contexto, o recente panorama introduzido pela Economia de
Compartilhamento (Sharing Economy) é visto com grande relevância devido a sua
rápida transformação. Este novo segmento trouxe perspectivas inovadoras capazes
de aumentar a acessibilidade das pessoas, ao mesmo tempo em que otimiza o uso
de ativos já existentes (veículos que atendem ao serviço de compartilhamento de
viagens ao invés da depreciação sem uso). Segundo Wallsten (2015) Uber, Lyft e
Sidecar são os serviços mais proeminentes de compartilhamento de viagens. Sendo
que a empresa Uber (fundada em 2009) já possuía 8 milhões de usuários em 2014,
dentre 160 mil motoristas em 250 cidades (em mais de 40 países). E a mesma
companhia atingiu o patamar de 40 bilhões de dólares em valor de mercado no ano
de 2009.
Em vista disso, a compreensão e análise desse novo mercado, que inclui
também a introdução dos carros autônomos, é mais ampla e relevante. Por isso,
esse perfil de consumidor deve ser considerado para orientar o desenvolvimento de
produtos futuros, de modo que os atributos de estilo, conforto e durabilidade
configurem uma percepção de qualidade ao mesmo tempo em que emprega
métodos para reduzir a quantidade de ferramentas no projeto.
Outro aspecto pertinente a ser avaliado é o desafio que as aplicações de
polímeros representam para a venda de automóveis de fabricação nacional no
exterior. Pois, o produto brasileiro sofre os efeitos da influência da imposição de
normas rígidas (VDA 270, VDA 275 e VDA 278) para a redução da emissão de
poluentes em peças plásticas nos mercados norte-americano e europeu. Como
consequência, a indústria automobilística nacional está consolidada basicamente no
mercado interno, que sofreu forte desaceleração nos anos de 2014 e 2015, de
acordo com os dados do SEBRAE (2015). Enquanto o mercado externo se
31
concentra na Argentina, México, Comunidade Andina (Bolívia, Colômbia, Equador e
Peru) e África do Sul, mas com taxas mínimas de exportações (SEBRAE, 2015).
2.4 MATERIAIS PLÁSTICOS RESISTENTES A RISCO
O uso de materiais plásticos é bastante vantajoso, entretanto implica em ter
de preponderar certas dificuldades que surgem desde a escolha do material,
montagem e inclusive o uso cotidiano do veículo.
Polímeros resistentes a riscos são utilizados principalmente no interior do
automóvel, espaço que devido à movimentação de passageiros e cargas está
exposto à geração de defeitos caracterizados como riscos e/ou arranhões. Este tipo
de defeito pode ser causado pelo contato de pessoas e/ou objetos com os painéis
produzidos a partir de material plástico devido a características materiais deficientes
ou alguma falha na fabricação da peça. Segundo Blau (2002), a resistência a risco é
definida como “a resistência de um corpo sólido a penetração por uma aresta ou
protuberância em um segundo corpo que se move ao longo de sua superfície”.
Normalmente, o risco inclui a deformação, mas pode envolver a fissuração,
descamação e remoção do material, conforme é mostrado na Figura 6. O termo
conhecido como “marring” tem como significado estragar e é utilizado para descrição
de riscos superficiais relativamente finos, distribuído em uma área grande que
tipicamente deteriora o aspecto e a aparência da superfície. Logo, pode ser
conveniente considerar a resistência ao desgaste como uma propriedade de
superfície, uma vez que, a resistência ao risco ou à abrasão envolve o corpo do
material também (TABER INDUSTRIES, 2017).
32
Figura 6 - Duas diferentes configurações, (a) influência da deformação plástica e (b) influência do
desgaste (perda de massa)
Fonte: SHEN; JIANG (2006)
Grande parte dos riscos e arranhões encontrados nas superfícies dos
materiais podem ser classificados em cinco modos de defeitos definidos pela
medição das forças críticas, conforme podem ser vistos na Figura 7. A faixa de
variação está compreendida desde a aplicação da força normal com valores mais
baixos na superfície (classificados como “mar”) até momentos que o incremento da
força normal ocasione a fissuração na superfície dos revestimentos, podendo
produzir a delaminação e outros danos mais severos (“chipping”).
33
Figura 7 - Cinco modos de riscos distinguíveis em uma superfície danificada de acordo com o
incremento da força normal
Fonte: Adaptado de SHEN et al (2004)
Geralmente, o risco é produzido nas seguintes situações:
Movimentar as chaves para dar partida no veículo;
Haver contato de areia e terra com o painel;
Haver contato da unha, arranhando o painel;
Movimentar ou alocar cargas sobre ou próximo ao painel;
Movimentar repetitivamente o joelho ou pé em determinada região do
painel da porta ao adentrar e sair do carro.
As imagens Figura 8, Figura 9 e Figura 10 demonstram alguns defeitos
descritos nas condições citadas anteriormente.
34
Figura 8 - Riscos próximo a ignição
Fonte: FIAT FORUM (2015)
Figura 9 - Riscos no painel
Fonte: TRIM TECHNIQUE (2015)
Figura 10 - Riscos na região da porta
Fonte: DETAILING WORLD (2009)
35
Além disso, materiais com baixo custo, por exemplo, como o polipropileno
(conforme mencionado anteriormente, material pertencente ao grupo de
commodities com valor inferior a US$ 2/kg) cresceu rapidamente em aplicações
automotivas. No entanto, mesmo com o uso de reforços como talco, com a
finalidade de melhorar as propriedades mecânicas, este material plástico ainda
possui facilidade em ser riscado, especialmente nos carros populares, modelos em
que são mais empregados.
Patty, Calhoun e Shields (2006) pontuam ainda que os fabricantes de veículos
(OEM’s) almejam que os materiais plásticos utilizados no interior dos veículos
(consoles, portas, guarnições e painel de instrumentos) obtenham um nível muito
baixo de brilho. Pois, o brilho tem a capacidade de evidenciar mais o risco. Segundo
os mesmos autores, o brilho é geralmente especificado em 2.0 ou no nível de brilho
Gardner menor que 60° para a maior área da primeira superficie de componentes de
interior moldados em cor (MIC – Molded in Color), sem pintura ou em um processo
secundário como manta vinilíca (PATTY, CALHOUN e SHIELDS, 2006).
Neste sentido, a indústria acompanha a tendência em substituir materiais ABS
por PP, devido ao menor brilho estético e menor gradiente de brilho que o
polipropileno apresenta. No entanto, grandes beneficios proporcionados pelo
material ABS são negligenciados, dentre eles podem ser citados, estabilidade
dimensional, resistência ao impacto e a riscos. Cabe ressaltar, o impacto que esta
substituição também acarreta na manufatura (processo de moldagem por injeção)
para adequação do novo material as mesmas aplicações que o ABS desempenha.
Pois, o PP necessita de um período maior de duração do processo de cura (pós
moldagem) para elevar a sua cristalinidade, e consequentemente, aumentar assim a
resistência a riscos e riscos relativamente finos (mar resistance) (PATTY;
CALHOUN; SHIELDS, (2006).
Logo, pesquisas têm sido desenvolvidas para evitar esses danos ao produto através
de mecanismos para eliminar as deficiências materiais, e elevar a resistência ao
risco. Pois este é um dos maiores desafios para os especialistas dessa área na
indústria.
2.5 INFLUÊNCIA DE ADITIVOS EM MATERIAIS RESISTENTES A RISCO
Primeiramente, com o intuito de atender aos requerimentos do consumidor,
design da qualidade e a competitividade nos custos, as indústrias tiveram a
36
necessidade de otimizar os seus processos produtivos. Adicionalmente, as
regulamentações que envolvem questões ambientais tem exercido grande influência
nesse processo. Logo, a redução da quantidade de tinta, permitiria minimizar os
custos de manufatura ao eliminar a etapa de pintura dos plásticos de produtos
eletrônicos. Consequentemente, iniciou-se uma nova tendência com materiais sem
pintura com design negro de alto brilho de produtos moldados por injeção. E a
utilização de ABS e posteriormente PMMA (poli metil metacrilato) para dispositivos
eletrônicos foi expandida. Entretanto, esses produtos não pintados tem pior
desempenho nas propriedades relacionadas ao risco, em contrapartida das peças
pintadas, o que representa um grande problema para a indústria (KIM et al, 2011).
Em segundo, também é crescente o interesse em substituir o ABS pelo
polipropileno na indústria automotiva para facilitar o processo de reciclagem (CHU;
RUMAO; COLEMAN, 1998). Todavia, um fator limitante para a substituição é a
susceptibilidade do polipropileno a danos na superfície, como riscos e deterioração
como foi evidenciado por pesquisadores (BRISCOE et al, 1996).
Segundo Dasari et al (2002), a visibilidade do risco é relacionado a fatores
como tamanho (profundidade e largura), o fenômeno de embranquecimento sob
tensão (dano conhecido como stress whitening) e o mecanismo de deformação do
risco. É importante ressaltar que riscos também atuam como concentradores de
tensão e podem reduzir a força mecânica do material polimérico por fadiga. Zokaei,
Lesan Khosh e Bagheri (2007), afirmam que foram introduzidos vários métodos com
a finalidade de avaliar a resistência de polímeros a riscos (SR – Scratch resistance).
As maiorias dessas técnicas usadas possuem como base riscar um polímero com
um indentador com ponta de diamante sob uma carga e determinada velocidade (ver
Figura 11), e então a medição de uma das dimensões de risco é definida como
critério para avaliação da resistência ao risco.
37
Figura 11 - Imagem do equipamento de teste de riscos
Fonte: ZOKAEI; LESAN KHOSH; BAGHERI (2007)
Zokaei, Lesan Khosh, Bagheri (2007), dizem que a resistência dos polímeros
também é influenciada por vários fatores em relação aos danos de risco. Alguns
deles estão relacionados a tribologia do material, comprimento da cadeia molecular,
dureza, módulo de elasticidade e produção de tensão. Fatores extrínsecos que
influenciam o desempenho do risco incluem a taxa de esforço, temperatura, a
geometria do indentador e o coeficiente de atrito.
De acordo com a normatização da ASTM (American Society for Testing and
Materials), o número de dureza ao risco em largura, Hs é expresso em termos de
força por unidade área, que caracteriza a resistência de uma superfície sólida para
penetração de um indentador sob uma constante de força normal e velocidade. A
largura do risco é usada para medir o tamanho do dano. Com referência a esta
norma, Hs é calculada conforme a equação 1 (ASTM STANDARD, 2009):
Onde F é a força, L é a carga no identador e SW1 é a largura do risco, conforme a
Figura 12 ilustra.
(1)
38
Figura 12 - Contorno do comprimento do risco referente à resistência do risco. A magnitude de L é
obtida utilizando a técnica de perfilometria.
Fonte: ZOKAEI; LESAN KHOSH; BAGHERI (2007)
Misra et al (2004), consideram que a relação entre a largura do risco e a
profundidade (indentador piramidal com ângulo cônico de 120̊), utilizado no risco
profundo visa avaliar as propriedades de polimeros, conforme a Equação 2:
Onde HD é a dureza do risco em profundidade, SD é a média de SD1 e SD2,
profundidades do risco em relação a superfície do material.
Inúmeros pesquisadores identificaram a melhora da resistência ao risco
devido ao preenchimento de compósitos na matriz de polímeros, como CaCO3, talco,
wollastonite e silicone (WANG; ZHANG; TIAN, 2012, LIN; GAO; LI, 2006, YOUXI;
CHENGHUI; YUAN, 2007 e ZOKAEI; LESAN KHOSH; BAGHERI, 2007)
Chu et al (2000), evidenciou no entanto, que o talco aumenta a visibilidade do
risco (especialmente em profundidade), mas o mineral wollastonite tendo as mesmas
características de fratura na superfície da amostra, induz menor deformação plástica
que consequentemente conduz a menos stress whitening. Isto foi mostrado por
Hadal e Misra (2005) que usaram agentes de acoplamento para aumentar o
desempenho das propriedades envolvendo o risco, principalmente quando utilizadas
finas partículas de wollastonite.
A relação linear entre a resistência ao risco (Scratch resistance - SR) e taxa
de tensão tem sido também confirmada por alguns pesquisadores, ao incorporar
(2)
39
diferentes reforços em polipropileno, como pode ser constatada a resistência a risco
aumenta com a taxa de tensão e uma menor deformação ocorre no material (MISRA
et al, 2004).
A relação entre a resistência ao risco e as propriedades mecânicas, envolve o
fato de que o módulo pode ser melhorado pela adição de aditivos rígidos ou
aumentando a cristalinidade como demonstrou Dasari et al (2002), este fato permite
que a matriz com reforços seja mais resistente a penetração do indentador.
Polímeros macios são mais sensíveis a risco que alguns plásticos mais duros.
O uso de silicone no nível de 2% até 10% ajuda a reduzir o coeficiente de atrito
(COF) e correspondentemente melhora a resistência a risco. Por exemplo, a
resistência a risco de TPOs com preenchimento de talco e modificados com
acréscimo entre 2 – 3% de silicone na matriz, é significantemente melhorada e
visível clareamento é suprimido sob condições em que o mesmo TPO teria dano
sem a presença de silicone em sua estrutura. A pintura necessita ser verificada, mas
um baixo nível de silicone (por exemplo 2,5%) não afetará a pintura, e a resistência
as intempéries aumenta apresentando menos mudança no aspecto que o controle
sem silicone. O tratamento da superfície com resina dura também é utilizada
(BIRON, 2007).
2.6 PRINCIPAIS PROPRIEDADES MATERIAIS
O conceito sobre riscos é um assunto relevante e recentemente tem ganho
maior repercussão na indústria. Pois, o tema se reflete no aumento das aplicações,
consequências dos avanços na ciência e tecnologia dos polímeros. Diferentemente
dos materiais tradicionais como cerâmicas e metais, que possuem um longo
histórico de pesquisa, o estudo de polímeros com foco em riscos continua em
estágio inicial em comparação aos materiais tradicionais. Uma amostra disto é a
inexistência de métodos de testes padronizados e equipamentos para conduzir
experimentos de riscos em polímeros até há pouco tempo. Testes padronizados
para os defeitos de riscos surgiram somente em 2003 na ASTM e no ano de 1997
para a ISO (LIM, 2005).
Portanto, este capítulo introduz as propriedades (físicas, mecânicas, entre
outras) associadas ao desenvolvimento de materiais plásticos resistentes a riscos
com aplicação automotiva. Primeiramente devido à amplitude do assunto, serão
40
relacionados os principais conceitos destas propriedades, incluindo citação dos
testes mais empregados e terminologias referentes às mesmas.
O processo de desenvolvimento do produto considera que o desempenho de
materiais plásticos resistentes a risco está relacionado a características importantes
do material, as propriedades materiais e ao processo de fabricação também. A
Figura 13 ilustra a inter-relação de diversos materiais plásticos e suas propriedades,
vale ressaltar Rosato et. al. (2004) diz que os materiais presentes na Figura 13 não
possuem reforços em sua matriz e que o uso de reforços pode alterar
significativamente o desempenho do material e suas propriedades materiais,
conforme já foi citado anteriormente. Portanto, do ponto de vista do projeto de
materiais resistentes a riscos, é necessário destacar o balanço essencial entre a
rigidez e a alta resistência ao impacto que deve existir.
Figura 13 - O plástico com modificações pode ser movido para qualquer posição na figura atendendo
a diferentes requisitos.
Fonte: Adaptado de ROSATO; ROSATO; ROSATO (2004)
Quando se fala em materiais plásticos resistentes a riscos com ótimo
desempenho e qualidade, segundo Brydson (1999) estes devem apresentar rigidez,
dureza, resistência à deformação em longo prazo (creep), recuperação da
deformação ao aliviar o stress e resistência à degradação térmica.
Claramente existem outras propriedades materiais que necessitam ser
consideradas dependendo da região de aplicação da peça. No interior do veículo,
por exemplo, a resistência ao impacto, resistência a riscos e rigidez são
demandadas, todavia, baixo brilho, boa resistência à abrasão e resistência química,
41
toque suave, níveis baixos de odor, excelente solidez na coloração também são
desejáveis. Ademais a possibilidade de moldar a peça na cor desejada é
perseguida, pois gera economia devido à eliminação do processo de pintura.
A avaliação de condições climáticas da mesma forma é especialmente
importante para peças plásticas no interior do veículo, pois além da resistência ao
risco o bom desempenho do material ao longo do tempo faz parte dos requisitos de
qualidade esperados pelo usuário.
Régula (2004) diz que parte destas condições inclui o uso de estabilizantes
UV, que evitam os desvios de tonalidade, a resistência do material ao calor, ou ainda
o enfoque em materiais com baixa emissão de formaldeídos (predominantemente
empregados no interior do veículo) e o uso de agentes para evitar o efeito fogging
(nebulização).
A Tabela 1 sumariza as propriedades que serão descritas neste capítulo,
conforme as suas normas e aplicação no veículo.
42
Tabela 1 - Tabela de propriedades materiais
Item
Requisitos Técnicos Todas as
peças
Somente para peças
visíveis
Somente peças em contato com o ar
circulante na cabine de ocupantes
Peça exposta a condições climáticas
Peça sujeita a
transferência de energia Propriedades Normas
2.6.1 Dureza superficial ASTM D785, ISO 2039
x
2.6.2 Resistência a impacto
ASTM D 256, ASTM D6110, ISO 179, ISO
180
X
2.6.3 Módulo de flexão ASTM D790, ISO 178
X
2.6.4 Módulo de elasticidade
ASTM D638, ISO 527
x
2.6.5 Contração no molde ASTM D955, ISO 294-4
X
2.6.6 Absorção de umidade
ASTM D570, ISO 62 x
2.6.7 Índice de Fluidez ASTM D1238, ISO 1133
X
2.6.8 Deflexão sob ação de cargas
ASTM D648, ISO 75 x
2.6.9 Resistência UV, Intemperismo
ASTM D2565, ASTM D4329, , ISO 4892
x
2.6.10 Brilho (Brilho Especular)
ASTM D523, ISO 2813
x
2.6.11 Colorimétria x
2.6.12 Resistência a odor SAE J1351, VDA 270 X
2.6.13 Emissão de Formaldeídos
VDA 275 X
2.6.14 Emissão de Fogging, Componente Orgânico Volátil
ISO 6452, SAE J1756, VDA 278
X
2.6.15 Flamabilidade ASTM D635, FMVSS 302
X
2.6.16 Resistência Química ASTM D543, ISO 22088
x
2.6.17 Densidade ASTM D1505, ASTM D792, ISO 1183
X
2.6.18 Resistência a Fadiga ASTM D7774, ISO 13003
X
2.6.19 Resistência à deformação em longo prazo
ASTM D2990, ISO 899
x
Fonte: Autor (2017)
43
2.6.1 Dureza superficial
A definição aceita de dureza que se refere ao plástico é a resistência à
penetração ou identação por outro corpo. Logo, a dureza geralmente é usada para
descrever a resistência da superfície do material a indentação, riscos ou marring
(riscos relativamente finos). Estes fenômenos são considerados estreitamente
relacionados (PROGELHOF; THRONE, 1993).
No entanto, de acordo com Dorneles Filho (2006) ao envolver a fluência e
resiliência para determinar a dureza, não é coerente comparar a dureza entre
diferentes materiais plásticos com este indicador somente. Segundo o mesmo autor,
a Dureza Rockwell deve ser analisada como parâmetro de resistência a risco e não
como métrica para condições de uso de material ou de resistência à abrasão. O
valor de dureza Rockwell, segundo a norma ASTM D785 (2015), está diretamente
relacionado à dureza de endentação de um material plástico, ou seja, quanto maior
o valor medido mais duro é o material.
Inúmeros instrumentos diferentes podem ser utilizados para medir a dureza
de identação. Eles diferem na forma e tamanho do identador e na magnitude e
duração da força aplicada. A penetração e deformação da superfície é fortemente
dependente da natureza viscoelástica do polímero. Vários testes de dureza podem
ser citados e as amostras são condicionadas de acordo com a norma ASTM D618.
Cabe destacar que cada sistema de medição possui vantagens e desvantagens,
portanto, a escolha por um método em particular, forma do indentador e natureza do
indicador irá depender principalmente do módulo do plástico (PROGELHOF;
THRONE, 1993).
O teste de Dureza Rockwell , descrito pelas normas ASTM D785 e ISO 2039,
é um dos mais conhecidos e inicialmente foi desenvolvido para metais. O seu
procedimento de identação consiste em na adição e remoção sucessiva de cargas
sobre um identador esférico na superfície plástica por determinados períodos,
conforme a Figura 14.
44
Figura 14 - Teste de dureza
Fonte: LESKO (2004)
2.6.2 Resistência ao impacto (tenacidade)
A resistência ao impacto é um indicador da tenacidade do material e
representa a resistência de um material rígido submetido à deformação a uma
velocidade muito alta. O teste de resistência ao impacto se baseia na quantificação
da energia de impacto, sendo expressa em J/m e em cm.kgf/cm2. Os métodos
conhecidos para realizar o teste são Izod e Charpy, através do principio de absorção
da energia, com a energia potencial por meio de uma agulha com peso acima ou
pêndulo, sendo o teste de impacto por queda livre ou teste de impacto sob tração
(ver a Figura 15). Para o método de Izod, o corpo de prova injetado submete-se ao
impacto do pêndulo, onde um peso ajustável cai sobre o corpo de prova sob uma
altura fixa, até que a amostra seja deteriorada em 50%, então um entalhe simulando
uma trinca é efetuado neste corpo de prova. Enquanto o método sob tração submete
a amostra a deformação do pendulo a elevadas velocidades (CANEVALORO
JÚNIOR, 2006). Os procedimentos para realizar o teste de Izod estão descritos nas
normas ASTM D256 e ISO 180 e para o teste Charpy as normas são as ASTM
D6110 e ISO 179.
45
Figura 15 - Testes de Izod e Charpy
Fonte: LESKO (2004)
A Figura 16 apresenta a influência do raio do entalhe em relação à resistência
ao impacto para vários materiais. Neste gráfico é possível observar a
susceptibilidade dos materiais Náilon e PVC ao entalhe em comparação aos outros.
O entalhe gerado na amostra representa a ação de uma força em um canto vivo de
uma peça.
Figura 16 - Influência do raio da ponta do entalhe na resistência ao impacto de alguns termoplásticos
(observar a escala logarítmica utilizada para expressar o raio).
Fonte: CANEVAROLO JÚNIOR (2006)
46
A resistência ao impacto deve ser utilizada na seleção de materiais em
conjunto a outros requisitos, mas não como requisito único, pois Dorneles Filho
(2006) cita como exemplo, os materiais de Náilon e Poliacetal que possuem menor
resistência ao impacto (são sensíveis ao entalhe no método Izod), mas que,
entretanto, possuem excelentes propriedades mecânicas. Canevarolo Júnior (2006),
também recomenda para o processo de seleção de materiais a realização de
ensaios com solicitações sob impacto em materiais poliméricos que incluam choques
mecânicos em quedas ou batidas, assim como também a detecção de tendência à
fratura frágil sob impacto, pois agentes de concentração de tensão podem existir
devido a defeitos ou ao próprio projeto da peça, mesmo que estes mesmos materiais
sejam considerados dúcteis em testes em que taxas de deformação são baixa ou
moderada.
Brydson (1999) expõe como ponto relevante, o modo como à tenacidade é
influenciada pelo projeto do produto e pelo método de manufatura, assim como pela
temperatura também. Portanto, a propriedade não é simplesmente uma função da
estrutura do polímero ou um modo de tensão. Por exemplo, considerando dois
produtos A e B em que as moléculas estão randomicamente dispostas como em A e
alinhados como em B, conforme a Figura 17. Na amostra A não há indícios de
fraqueza, enquanto B ao ser atingido por um impacto no ponto P é mais provável
que uma falha ocorra ao longo de XY do que em outro ângulo em relação a essa
linha. Logo, para obter uma resistência considerada desejada, deve-se minimizar
essa orientação pelo fabricante, condições com concentração de tensão devem ser
evitadas desde o projeto até a sua fabricação.
Figura 17 - Orientação de moléculas, (A) randomicamente dispostas e (B) alinhadas
Fonte: BRYDSON (1999)
Enfatizando que a concentração de tensão tende a acontecer com a presença
de entalhes ou ângulos agudos ou de vazios ou orifícios, assim como com a inclusão
47
de partículas. E a sensibilidade ao entalhe varia bastante conforme o polímero como
já foi mostrado na Figura 16 anteriormente. O fenômeno também pode propiciar a
propagação de trinca ou o aparecimento de fraturas por fadiga.
2.6.3 Módulo de flexão (rigidez)
Segundo Dorneles Filho (2006), grande parte das peças automotivas estão
expostas a esforços de flexão. O módulo elástico na flexão, normalmente retratado
como módulo inicial na deflexão da curva de carga, ocorre quando uma peça sofre
uma deflexão entre dois apoios, em grande parte dos casos o componente possui
secção transversal retangular, e durante este fenômeno é possível identificar
determinada superfície do material deformada em tração e a outra superfície sob
compressão, até o instante em que o eixo neutro ou linha de tensão zero é atingida.
O ensaio do módulo de flexão é importante para definir um material que
possua elevada rigidez mecânica, pois é fundamental preponderar o módulo
elástico, que corresponde a uma medida da rigidez material (DORNELES FILHO,
2006).
O procedimento para os ensaios de flexão é descrito nas normas ASTM D790
e ISO 178. Neste ensaio utiliza-se uma barra do plástico a ser testado e, após apoiar
o material utilizando-se um aparato com três pontos de fixação, aplica-se uma força
no meio da amostra até quebrá-la ou dobrá-la à uma distância específica, conforme
mostra a Figura 18.
Figura 18 – Teste de flexão.
Fonte: APM TESTING (2017).
Em adição é importante destacar que a quantidade, o tipo de reforços ou
carga irá influenciar na rigidez mecânica do material, pois Dorneles Filho (2006) cita
48
que a rigidez mecânica será maior mediante a elevada presença de cargas ou
reforços.
2.6.4 Módulo de elasticidade (resistência à tração)
Conhecida também como resistência a tração na ruptura, os métodos de
ensaio para resistência à tração seguem as normas ASTM D638 e ISO 527 e os
valores são expressos em MPa, Pa, N/m2, kgf/mm2. No teste de resistência à tração
é avaliada a tenacidade do material, pela carga aplicada ao material por unidade de
área, no instante da ruptura. Em relação aos polímeros é interessante salientar que
estes possuem valores de resistência à tração que são considerados baixos, quando
comparados aos metais (MANO, 1991).
A resistência à tração abrange 3 diferentes fenômenos, a tensão de
escoamento (N/mm2), a tensão no ponto de ruptura para fratura em zona plástica
(tenacidade) e a máxima tensão para a fratura instantânea (DORNELES FILHO,
2006).
De acordo com Dorneles Filho (2006), a relação entre a tensão aplicada e a
deformação resultante no corpo de prova, conhecida como o módulo de tração ou
módulo elástico se apresenta de modo linear e proporcional à tensão. Este módulo é
uma medida de rigidez do material polimérico e indica alta resistência mecânica.
Logo, o comportamento esperado para polímeros para aplicação automotivas deve
ser semelhante ao módulo medido na Figura 19, em que a resistência é maior
quando o módulo apresenta valor maior também.
49
Figura 19 - Significados do ensaio de tração
Fonte: TICONA (2006 apud DORNELES FILHO, 2006)
2.6.5 Contração no molde
No molde por injeção a diferença entre as dimensões da cavidade do molde e
a peça moldada pode variar de acordo com o projeto do molde e a operação do
processo de moldagem. Fatores como molde, temperatura de fusão, tempo de
preenchimento e condições de embalagem são conhecidos por afetar a contração
significativamente. No molde por compressão, a diferença entre as dimensões da
cavidade do molde e a peça moldada pode variar de acordo com o projeto do molde
e operação do processo de moldagem. Conforme ASTM D955 (2014), fatores como
a quantidade de material em carga, tempo de resfriamento e pressão de aplicação
são conhecidos por afetar significativamente a contração. O procedimento para
avaliar a contração dos plásticos está descrito nas normas ASTM D955 e ISO 294.
Com base nos dados mencionados anteriormente, Lokensgard (2004)
também afirma que a manutenção das tolerâncias dimensionais da peça está
intimamente relacionada com o fenômeno de contração. Tolerâncias dimensionais
de única cavidade de elementos moldados devem ser mantidos em ± 0,05 mm/mm
[± 0,002 in./in.] ou em valores ainda menores para os plásticos selecionados. Erros
em ferramental, variações na contração entre multicavidades das peças, incluindo
50
diferenças em temperatura, carga e pressão de cavidade a cavidade podem
aumentar todas as tolerâncias dimensionais dos moldes multicavidades. Por
exemplo, na hipótese de o número de cavidades aumentar para 50, a tolerância
prática mais próxima pode ser então de ± 0,025 mm/mm [± 0,010 in./in.]. De acordo
com MortonJones (1989), polímeros semicristalinos contraem entre 1 a 4% e
polímeros amorfos apresentam valores na faixa de 0,3 a 0,7%.
Dentro desta perspectiva, padrões de tolerância tem sido estabelecidos por
moldadores técnicos especializados e pelo Comitê de Normas da Sociedade da
Indústria Plástica (Standards Committee of Society of the Plastics Industry, Inc.).
Essas normas estabelecidas são usadas somente como um guia para a definição do
material plástico e o projeto. Sendo assim, existem três classes de tolerâncias
dimensionais para peças plásticas moldadas (expressas em in./in. ou mm/mm), a
primeira é a tolerância fina, definida como o limite possível mais estreito da variação
possível. A segunda é conhecida como tolerância padrão, que representa a
dimensão de controle médios que podem ser obtidos no processo de manufatura. E
por fim, a tolerância grosseira em que peças não consideram a precisão dimensional
como fator critico ou primordial (LOKENSGARD, 2004). A Tabela 2 retrata a
classificação mencionada anteriormente, exibindo valores de contração no molde de
vários materiais plásticos.
51
Tabela 2 - Considerações de projeto
Plásticos
Contração Molde Linear,
mm/mm Fina
Tolerância Dimensão Prática mm/mm (Única
Cavidade) Padrão Grosseira
Graus
Fina Padrão Grosseira
ABS 0.127-0.203 0.051 0.102 0.152 0.25 0.50 1.00
Acetal 0.508-0.635 0.102 0.152 0.229 0.50 0.75 1.00
Acrílico 0.025-0.102 0.076 0.127 0.178 0.25 0.75 1.25
Alquídico (preenchimento) 0.102-0.203 0.051 0.102 0.127 0.25 0.50 1.00
Amino (com preenchimento) 0.279-0.305 0.051 0.076 0.102 0.125 0.50 1.00
Celulósico 0.076-0.254 0.076 0.127 0.178 0.125 0.50 1.00
Poliéter clorado 0.102-0.152 0.102 0.152 0.229 0.25 0.50 1.00
Epóxi 0.025-0.102 0.051 0.102 0.152 0.25 0.50 1.00
Fluoroplástico (CTFE) 0.254-0.381 0.051 0.076 0.127 0.25 0.50 1.00
Ionômero 0.076-0.508 0.076 0.102 0.152 0.50 1.00 2.00
Poliamida (6.6) 0.203-0.381 0.127 0.178 0.279 0.125 0.25 0.50
Fenólico (com prenchimento) 0.102-0.229 0.038 0.051 0.064 0.125 0.50 1.00
Óxido de fenileno 0.025-0.152 0.051 0.102 0.152 0.25 0.50 1.00
Policarbonato 0.127-0.178 0.076 0.152 0.203 0.25 0.50 1.00
Poliéster (termoplástico) 0.076-0.457 0.051 0.102 0.152 0.25 0.50 1.00
Polietileno (alta densidade) 0.508-1.270 0.076 0.127 0.178 0.50 0.75 1.50
Polipropileno 0.254-0.635 0.076 0.127 0.178 1.00 1.50 2.00
Poliestireno 0.025-0.152 0.051 0.102 0.152 0.25 0.50 1.00
Polissulfona 0.152-0.178 0.102 0.127 0.152 0.25 0.50 1.00
Poliuretano 0.254-0.508 0.051 0.102 0.152 0.25 0.50 1.00
Poli vinil (PVC) (rígido) 0.025-0.127 0.051 0.102 0.152 0.25 0.50 1.00
Silicone 0.127-0.152 0.051 0.102 0.152 0.125 0.25 0.50
Fonte: Adaptado de LOKENSGARD, 2004
2.6.6 Absorção de umidade
A higroscopia é a capacidade de que determinados materiais possuem de
absorver água. As normas ASTM D570 e ISO 62 descrevem o procedimento de
teste para quantificar a taxa de absorção de água, sendo este valor expresso em
porcentagem.
Bielecki, Chang e Poorman (2004) afirmam ser conhecido o fato de que
plásticos expostos à atmosfera estão propensos à umidade desde o processo de
moldagem dos produtos plásticos. Como consequência disso, a etapa de secagem é
fortemente recomendada para o processo de moldagem plástica por injeção. E
quando este processo é insuficiente ou mesmo omitido, pode ser atribuída à
umidade a responsabilidade das imperfeições nas peças finais.
52
De acordo com a norma ASTM D570 (2010), a quantidade de água absorvida
por um plástico está intimamente relacionada com o desempenho de suas
propriedades como isolação, perdas dielétricas, força mecânica, aparência e
dimensões. Um dos processos de degradação material é conhecido como hidrólise,
processo em que a quebra das cadeias de polímeros é provocada pela presença da
água, que por fim diminui o peso molecular médio e as propriedades mecânicas.
Desta forma, a condição de degradação hidrolítica necessita ser observada em
projetos em que exista prolongada exposição à umidade, pois longos períodos de
exposição em elevadas temperaturas e/ou cargas intensificam o ataque hidrolítico
(LESKO, 2004).
Logo, a minimização do vapor de água em peças automotivas é importante
para os fabricantes de veículos, pois peças como as lâmpadas automotivas, são
afetadas em seu desempenho fotométrico e na aparência apresentada ao cliente
final. Deste modo, é considerada a quantidade máxima absorvida de água de 0,4%
pela maioria dos plásticos em condições de equilíbrio (BIELECKI; CHANG;
POORMAN, 2004).
2.6.7 Índice de fluidez
O índice de fluidez é um parâmetro empiricamente definido e é muito útil para
classificar termoplásticos e seu controle de qualidade, por exemplo, em determinar
muita consistência da resina. O índice de fluidez opera em taxa baixa de
cisalhamento, para baixo índice de fluidez valores na taxa de 0.3 a 20,
correspondendo a taxa de cisalhamento iniciando de 1 a 50 s-1. (MATHUR;
BHARDWAJ, 2003)
As normas ASTM D1238 e ISO 1133 descrevem os métodos de teste
disponíveis para medição do índice de fluidez. Neste teste a resina plástica é
extrutada através de um forjado com um comprimento e diâmetro de orifício
específicos e sobre condições pré-determinadas de temperatura, carga e posição do
pistão (ver Figura 20).
53
Figura 20 – Equipamento para teste do índice de fluidez.
Fonte: ASTM D1238 (2013)
2.6.8 Deflexão sob ação de cargas
Este parâmetro é um dos mais importantes para especificação de material em
várias aplicações e, em especial para veículos, pois o automóvel fica exposto aos
raios solares durante a sua utilização ou quando se encontra estacionado, podendo
atingir temperaturas de até 70 ̊C, conforme demonstraram os trabalhos de McLaren,
C.; Null, J.; Quinn, J. (2005), Fedoruka; Kergerb (2003) e Grundstein, Meentemeyer e
Dowd (2009).
O teste de temperatura de deflexão sob ação de cargas (Deflection
Temperature of Plastics Under Flexural Load - DTUL) foi originalmente chamado de
Heat Distortion Test, Teste de Distorção do Calor. A proposta era fornecer uma
forma de o projetista obter uma classificação de polímeros para aplicações de altas
temperaturas (PROGELHOF; TRHONE, 1993).
Segundo Lesko (2004), o teste é relativamente simples, , onde uma barra de
teste é apoiada sobre suportes e é carregada até uma determinada tensão.
Enquanto a câmera de teste eleva a sua temperatura em 2 °C por minuto, até o
momento em que a carga flexione a barra em 0,010 polegada adicional, de acordo
com a Figura 21.
54
Figura 21 - Teste de deflexão
Fonte: LESKO (2004)
Os procedimentos para realizar o teste estão descritos nas normas ASTM
D648 e ISO 75. Contudo, deve-se destacar que os resultados do método proposto
pela ASTM D648 não deve ser comparado com os resultados obtidos através da
ISO 75.
2.6.9 Resistência a radiação ultravioleta (intempérismo)
A habilidade de um material plástico de resistir à deterioração das
propriedades elétrica, mecânica e ópticas causadas pela exposição à luz, calor e
água pode ser muito significante para várias aplicações. Essa prática é desejada
com a finalidade de induzir mudanças de propriedades associadas com as
condições do uso final do produto, incluindo os efeitos da luz solar, absorção de
umidade e calor (ASTM D2565, 2016).
Materiais com estabilizante para radiação ultra-violeta (UV) diminuem e
desaceleram o processo de degradação produzida pela radiação UV ao longo do
uso do produto. Rabello (2011) enfatiza que esta é a mais nociva aos polímeros.
Peças plásticas veiculares estão expostas especialmente à condições
adversas do ambiente, por exemplo, longos períodos de exposição aos raios solares
em elevadas temperaturas, que podem afetar negativamente o desempenho do
material. Em virtude disso, Rabello (2011) explica que os fenômenos de
55
envelhecimento provenientes dessa exposição à radiação UV (comprimento de onda
mínimo de 290 nm já resultante do filtro da camada de ozônio) produzem uma
excitação eletrônica em grupos específicos dos polímeros, que podem provocar uma
cisão molecular. Logo, o processo de fotooxidação (processo com características
similares ao da oxidação, com exceção da etapa inicial) inicia-se na presença de
oxigênio como pode ser verificado na Figura 22.
Figura 22 - Representação esquemática da etapa de iniciação da fotooxidação
Fonte: Adaptado de RABELLO (2011)
A absorção de radiação UV do material é dependente da sensibilidade
espectral. Portanto, um comprimento de onda específico irá incidir sobre cada
material e conforme a quantidade de energia absorvida haverá a cisão homolítica da
cadeia polimérica nos pontos em que houver maior susceptibilidade para isto
(RABELLO, 2011). A Tabela 3 reúne alguns polímeros comerciais e sua respectiva
sensibilidade espectral.
Tabela 3 - Sensibilidade espectral de alguns polímeros comerciais
Polímero Sensibilidade espectral (nm)
PET <315
PE <250
PC 280-305; 330-360
PP <250
PA aromática <470
PPO 370 Fonte: DAVIS e SIMS (1983 apud RABELLO, 2011)
Rabello (2011) diz que além da sensibilidade espectral do polímero, outro
fator determinante na degradação fotooxidativa é a temperatura de exposição da
superficie do material, que é influenciada pela cor da superfície, ou seja, do
pigmento utilizado, pois existem pigmentos que trabalham como absorvedores de
radiação UV (por exemplo, o azul de ftalocianina) e aumentam a vida útil do material,
56
enquanto outros pigmentos como o vermelho de manganês no polietileno, agilizam o
processo de degração.
Convém mencionar os principais fatores que influenciam na velocidade da
fotodegradação, segundo Rabello (2011):
Condições ambientais (intensidade e composição espectral da radiação solar
UV, temperatura, umidade e outros componentes atmosféricos);
Estrutura física e química do material (sensibilidade espectral, reatividade,
difusão de oxigênio e outras espécies reativas, etc);
Composição (Inibidores de fotooxidação e aditivos fotosensíveis)
Degradação oxidativa anterior;
Condições de síntese (resíduos de catalisadores e outros grupos cromóforos);
Transmissão de radiação UV por meio de amostrar espessas (delimita o perfil
de degradação).
Contudo, as mudanças nas propriedades de materiais plásticos podem ser
amenizadas pela adição de aditivos com a finalidade de proteção do polímero. Estes
estabilizantes são denominados como fotoestabilizantes, sendo classificados em:
Absorvedores de UV;
Antioxidantes primários;
Antioxidantes secundários;
Desativadores de estados excitados;
Bloqueadores de UV;
Desativadores de metais.
Existem duas fontes de luz para simular o espectro de luz natural para teste
de intempéries acelerado: lâmpada fluorescente, descrito pelas normas ASTM
D4329 e ISO 4892, ou de xenônio, padronizados pelas normas ASTM D2565 e ISO
4892.
Lâmpadas de xenônio são indicadas para reproduzir o espectro de luz visível
e comprimentos de ondas mais longos. Em contraste, a lâmpada fluorescente é mais
eficaz para reproduzir o espectro de ondas menores do que 365 nanômetros. Como
a região do espectro que causa maiores danos para os polímeros é a de ondas
curtas, é esperado que o método que utiliza lâmpada fluorescente é o mais indicado
para simular os efeitos da radiação UV (FEDOR; BRENNAN, 1996).
57
2.6.10 Brilho (brilho especular)
A percepção do brilho está associada a forma como um objeto reflete luz
branca em vários ângulos de observação, particularmente a luz refletida próxima ao
ângulo especular (MIRJALILI; MORADIAN; AMERI, 2014).
Nanna (1997) expõe as dificuldades relacionadas ao brilho e reflexo de
superficies de interior automotivas. Pois quando este possui níveis fora da
especificação, representa problemas aos usuários e para os fabricantes. Por
exemplo, os reflexos no parabrisa podem variar desde irritações menores (cansaço
nos olhos) até preocupações maiores de segurança. Outro ponto significativo refere-
se também a adequação (matching) dos inúmeros componentes de interior
produzidos por diferentes empresas, podendo gerar problemas.
O brilho é medido com o equipamento chamado glossímetro, suas unidades
são expressas em GU (unidades de brilho), conforme a Figura 23. E as condições
ambientais (intempéries), riscos ou abrasividade da superficie podem impactar no
brilho. As normas ASTM D523 e ISO 2813 guiam os testes de medição da taxa de
brilho. Quatro variáveis afetam diretamente o brilho, sendo estas, a superfície
topográfica (ou textura), o comprimento de onda, o ângulo incidente de luz e o índice
de refração do material. São três ângulos de incidência (20°, 60° e 85°) para
medição de brilho (PISCIOTTI, BOLDIZAR; RIGDAHL, 2005).
Figura 23 - Diagrama esquemático de um glossímetro (a) e micro-TRI-gloss, glossímetro (b)
Fonte: STREITBERGER; DOSSEL (2008)
2.6.11 Colorimétria
A cor é percebida pela emissão, reflexão ou transmissão da radiação
eletromagnética, na faixa visível de 380 a 780nm, de um objeto. Com base nas
58
mediações visuais ou de percepção, as cores configuram um sistema de ordenação
de cores apresentado em três características: a tonalidade ("hue"), a luminosidade
("value") e a saturação ou croma ("chroma"). A averiguação das cores é muito
importante, pois pode ocorrer alteração da cor ao longo do tempo. Isso dependerá
dos corantes, pigmentos ou substrato, além da forma de armazenagem, que pode
acarretar em mudanças perceptíveis após semanas, meses ou anos. Esse exame
das cores pode ser de forma visual ou instrumental e em ambos os casos existe a
necessidade de comparação (RÉGULA, 2004).
Régula (2004) diz que no controle visual, deve-se observar que a amostra real
considerada como padrão não é permanente. Além disso, existe uma dificuldade em
sua reprodução em quantidade adequada e com reprodutibilidade aceitável. E
apesar do uso de coleções de cores padrões nas indústrias, pode haver ainda uma
diferença entre amostras inclusive da mesma edição. Enquanto, no controle virtual
se faz necessário definir o efeito da estrutura da amostra (não apresentada pelos
valores de refletância) na cor percebida e os limites de tolerância permissíveis na
iluminação primária, a luz do dia, assim como nas iluminações fluorescente e
incandescente.
A influência do fenômeno da Metameria também afeta a tolerância
colorimétrica, por conta disso, a indústria da cor tenta reduzir os seus efeitos.
Segundo Régula (2004), a metameria é definida como o fenômeno que ocorre
quando duas superfícies coloridas são consideradas semelhantes sob o mesmo
iluminante, mas diferentes sob outro iluminante. Um exemplo do fenômeno descrito
é mostrado logo na Figura 24.
Figura 24 – Fenômeno da metameria
Fonte: BASF (2017)
Existem diversas causas que contribuem para o aparecimento da metameria.
Por exemplo, se a composição da cor base e/ou pigmento não corresponde ao
pigmento da composição da tinta original, ou a mistura de uma sombra de cor
59
desconhecida (onde nenhuma fórmula da mistura está disponível) sem avaliar a
sombra sob diferentes formas de luzes antes do uso, ou ainda o tingimento de uma
cor sem a referência da base de cores usadas na formulação original da cor (BASF,
2017).
2.6.12 Resistência a odor
Vários fabricantes de veículos na Europa necessitam avaliar a qualidade do ar
no interior do automóvel (Vehicle interior air quality - VIAQ), examinando os níveis de
emissões de materiais de acordo com as normas pertinentes. Emissões oriundas de
peças plásticas utilizadas no interior do veículo podem contribuir para um odor
intenso.
O teste de odor baseado na norma VDA 270 é realizado para avaliar as
características de odor sob a influência de temperatura e clima. A norma VDA 270
(1992) diz que o teste é realizado nos materiais do interior de um veículo motorizado
e também nas peças em contato com o ar introduzido para o interior do automóvel.
Como o odor é uma propriedade difícil de quantificar, os resultados deste teste são
distinguidos de acordo com a seguinte escala, 1 (não perceptível) até 6 (não
aceitável), como a Tabela 4 ilustra.
Tabela 4 - Escala do teste olfativo
Escala de Avaliação
Grau 1 Não perceptível
Grau 2 Perceptível, não perturbador
Grau 3 Claramente perceptível não perturbador
Grau 4 Perturbador
Grau 5 Fortemente perturbador
Grau 6 Não aceitável Fonte: VDA 270 (1992)
A taxa média da intensidade de odor deve ser inferior a 3 (claramente
perceptível, mas não perturbador) para estar dentro dos limites de aceitação nos
testes (HENNEUSE-BOXUS; PACARY, 2003).
Outro teste olfativo similar é conduzido conforme a norma SAE J1351. As
montadoras também possuem suas normas internas relacionadas ao assunto,
VW/Audi – PV 3900, GM/Opel – GME 60276/GMW 3205, Ford – BO 131-01, PSA –
D10 5517, Toyota – TSM 0505G.
60
2.6.13 Emissão de formaldeído
A norma VDA 275 refere-se à propriedade sobre os níveis de emissões de
formaldeído, com a finalidade de delimitar esse gás de odor penetrante. O National
Center for Biotechnology Information - NCBI (2010) evidenciou que este gás causa
os seguintes efeitos na saúde: alergia, asma, irritação das vias aéreas, irritação dos
olhos, inflamação, efeitos pulmonares, entre outros.
De acordo com Callis (2003), existe uma tendência grande em eliminar o odor
na cabine do carro, que incluem medidas como filtros de odor ou a restrição de odor
a determinadas peças. No entanto, este odor é proveniente do processamento do
material, como o poliacetal, por exemplo. Neste processo o formaldeído residual
liberado pelo poliacetal permanece na peça. A pigmentação influência na emissão
de formaldeído, especialmente para cores de interior, a paleta de cinzas. Então é
necessário um processamento avançado para evitar esse inconveniente.
O teste padronizado pela norma VDA 275 consiste em medir o teor de
formaldeído residual de uma peça moldada. A amostra é colocada em um frasco
com água e devido a enorme solubilidade do formaldeído com a água, ocorre uma
transferência para o líquido. De acordo com os requisitos do teste é realizada a
medição do teor que ainda está presente no corpo de prova. (CALLIS, 2003).
Testes similares ao VDA 275, também são encontradas na condição de
norma interna nos seguintes fabricantes de veículos, GM (GMW 15635), VW/Audi
(PV 3925) e BMW (AA 0061). Enquanto outras grandes empresas como Daimler
Chrysler e FORD consideram a própria VDA 275 como norma obrigatória.
2.6.14 Emissão de FOG, componente orgânico volátil (VOC)
A quantidade de emissões de gases de Compostos Orgânicos Voláteis (VOC
- Volatile Organic Compound) e substâncias condensáveis (FOG) também devem
ser controladas e são avaliadas conforme a VDA 278.
Segundo Henneuse-Boxus e Pacary (2003), a técnica de dessorção térmica é
utilizada para determinar VOCs, em que a amostra é fechada em um tubo de vidro
vazio e aquecida por 30 minutos em 90 ̊C. E depois um novo ciclo se inicia para
verificar o potencial de condensação, a amostra é aquecida por 60 minutos a uma
temperatura de 120 C̊. Os gases voláteis desorvidos são coletados então e
transferidos para quantificação e identificação pela espectrometria de massa.
61
Além da VDA 278, as normativas SAE J1756, ISO 6452, DIN 75201 também
são referentes à determinação de características de nebulização nos materiais. Nos
testes realizados, a quantidade de partículas condensáveis a partir das leituras do
glossímetro é realizada, a perda de peso da amostra de teste é calculada.
2.6.15 Resistência a chamas (flamabilidade)
Os automóveis são o tipo de veículo mais propensos a queima, sendo
considerado como causas primárias do fogo, defeitos mecânicos e falhas no projeto.
Portanto, é necessário entender previamente como funciona a reação química do
fogo, que requer três componentes, calor, oxigênio e combustível. Sendo o calor
mais conhecido como a fonte da ignição, seja por faísca elétrica ou calor radiante,
enquanto o oxigênio é fornecido pela atmosfera e o combustível é o plástico. Então,
durante o processo de queima (conhecido como pirólise) o plástico se quebra em
pequenas moléculas (monômeros) tornando-o mais inflamável. Logo, o retardante
de chamas é uma substância que surge com a finalidade de interferir no processo de
queima pela remoção de um ou mais de três componentes necessários para
sustentar a combustão (EDENBURN, 2001).
A capacidade de resistir ao fogo é melhorada pela incorporação de aditivos na
matriz, com a exceção de poucas resinas resistentes a chamas. É importante
salientar a atenção devida a especificação do grau de retardo a chamas, pois isto
acarreta em custos maiores e problemas de moldagem e ainda em uma menor
resistência mecânica (LESKO, 2004).
De acordo com Edenburn (2001), existem três tipos de retardadores de
chamas químicos em uso comercial, halogênios (bromo, cloro, flúor), fósforo
(normalmente combinados com nitrogênio) e inorgânicos (minerais contendo água
ligada quimicamente em sua estrutura).
Uma das normas automotivas pertinente a resistência a chamas é a FMVSS
302, em que o teste executado se baseia em submeter uma amostra a uma chama,
e a taxa de propagação da chama é determinada ao longo do comprimento medido.
Neste teste, o material será avaliado como resistente a chamas se a taxa máxima
permitida de propagação da chama não exceder 101,6 mm/min (FMVSS, 1972 apud
RAULT; GIRAUD; SALAUN; ALMERAS, 2015).
Outra norma utilizada é a ASTM D635. Essa norma foi desenvolvida para
materiais poliméricos e o resultado é uma indicação preliminar da aceptibilidade
62
com relação a flamibilidade. O procedimento estabelecido pela ASTM D635 compara
a taxa de propagação da chama ou o tempo de queima ou ambos.
2.6.16 Resistência química
Polímeros frequentemente são considerados para aplicações em ambientes
agressivos, onde metais, cerâmicas ou materiais naturais como a madeira ou fibras
orgânicas naturais podem ter um desempenho inadequado, às vezes sendo muito
custosas ou também muito pesadas.
Dentro deste contexto, um dos pontos fortes dos polímeros é o fato de serem
impermeáveis ao solvente, destacando que a solvência é um efeito físico primário,
que consiste na separação das moléculas de polímeros por pequenas moléculas de
solvente. Contudo, é importante evidenciar a existência de alguns solventes que são
suficientemente tão agressivos que podem até mesmo romper a estrutura do
polímero. Estes reagentes podem estar presentes em agentes de limpeza, tintas e
lubrificantes, por exemplo. E o efeito da ação destas substâncias químicas é o
ataque na estrutura polimérica, resultando na redução do peso molecular do
polímero e, portanto reduzindo o seu desempenho mecânico (PROGELHOF;
THRONE, 1993).
Cabe enfatizar que a sistemática adotada por grande parte dos usuários de
veículos é de realizar a sua limpeza com produtos abrasivos e com silicone. Devido
a isso é relevante assegurar à resistência química dos materiais plásticos utilizados
nos automóveis. Além disso, Lesko (2004) também declara que variações mesmo
que reduzidas nos níveis de tensão em uma peça, como as produzidas pela redução
no raio de curvatura podem provocar falhas quando esta peça é exposta a um
ataque químico.
Portanto, o teste de resistência quimica tem por finalidade avaliar o
comportamento do material quando exposto a diferentes reagentes químicos, a fim
de simular as condições de uso do material plástico. Logo, são verificados
alterações de peso, dimensões, resistência mecânica, deformações sob carga em
função do tempo para determinar se o polímero é resistente ao ataque ou não
(DORNELES FILHO, 2006).
As normas utilizadas como referência para realizar o ensaio de resistência
química são a ASTM D543 e a ISO 22088. Contudo, vale ressaltar que, apesar das
normas terem o mesmo objetivo, os resultados desses dois métodos não devem ser
63
comparados. Como resultados para materiais com boa resistência química são
esperados que nenhuma alteração no grau de brilho se desenvolva ou então que
não apareçam manchas que não possam ser removidas com um pano molhado.
2.6.17 Densidade
Rosato el al (2001) definem a densidade absoluta como sendo, a massa de
qualquer substância por unidade de volume de um material. Geralmente, essa
propriedade é expressa em gramas por centímetro cúbico (g/cm3) ou quilograma por
metro cúbico (kg/m³). É frequentemente usada como atributo integrante dos
requisitos de especificação para materiais plásticos. Enquanto, que a gravidade
específica de acordo com os mesmos autores (ROSATO et al, 2001) é a taxa da
massa no ar de um dado volume comparado a massa de mesmo volume na água.
Tanto a densidade como a gravidade específica são medidas de acordo com
a temperatura da sala (23°C). A gravidade específica é adimensional e a mesma é
utilizada extensivamente para a determinação de custos de produtos versus
espessura média do produto, peso do produto, controle de qualidade e etc.
A taxa de valores para gravidade específica para plásticos é extensa, o
polipropileno por exemplo é de 0,9 e termofixos com cargas de fibra de vidro ou
mineral podem exceder 2,0. (MUCCIO, 1997).
Sendo assim, a escolha por materiais plásticos que possuem baixa densidade
é considerado um ótimo atributo, pois resultará em menor peso e logo, em menor
consumo de combustível também.
Além disso, mudanças na densidade podem também afetar algumas
propriedades mecânicas. Em materiais como polietileno (PE), a densidade tem um
efeito direto em propriedades como rigidez e permeabilidade a gases e líquidos.
A ASTM D792 fornece a relação de densidade e gravidade específica em
23°C, conforme se apresenta na Equação 3 (ROSATO et al, 2001).
Densidade, g/cc = Gravidade específica x 0,9975 (3)
Outra norma equivalente a ASTM D792 é a ISO 1183. Todavia, a fim de
realizar uma medição mais precisa (< 0,05%), a densidade pode ser determinada
conforme a norma ASTM D1505.
64
2.6.18 Resistência à fadiga
Mano (1991) menciona que a resistência à fadiga ou resistência à flexão
dinâmica representa a tensão máxima atingida alternadamente como tração e
compressão que determinado material é capaz de resistir quando o corpo de prova é
submetido a dobramentos e desdobramentos sucessivos.
Muitos estudos foram realizados para determinar a vida em fadiga de
componentes metálicos. No entanto, há pouca pesquisa com foco nas
características em fadiga dos plásticos, apesar da larga aplicação desse material na
indústria. De acordo com a norma ASTM D7774 (2017), a resposta em fadiga não é
idêntica para todos os plásticos. Por exemplo, se um plástico não tem uma região
elástica, onde a tensão é reversível, a deformação do plástico irá ocorrer durante o
teste de fadiga, causando uma amplificação da carga programada ou deformação
durante o ensaio. Neste caso, deve-se tomar cuidado na análise dos resultados pois
geralmente não é um indicativo da propriedade em fadiga do material.
As normas ASTM D7774 e ISO 13003 estabelecem os procedimentos a
serem utilizados para realizar os testes de fadiga. Entretanto, os resultados da
ASTM D774 e ISO 13003 são distintos e não devem ser comparados. Além disso, a
norma ASTM D7774 possui dois procedimentos de teste diferentes: com 3 pontos
(ver Figura 25) ou 4 pontos, Figura 26, de flexão.
65
Figura 25 – Teste de fadiga com 3 pontos de flexão.
Fonte: ASTM D7774 (2017)
Figura 26 - Teste de fadiga com 4 pontos de flexão.
Fonte: ASTM D7774 (2017)
Outro ponto que dificulta a análise do comportamento dos materiais em fadiga
é o elevado número de fatores que podem afetar essa propriedade. Segundo a ASM
International (2008), uma fratura por fadiga pode ocorrer bem no começo da vida em
serviço do componente através da formação de uma pequena trinca, geralmente em
um ponto na superfície externa, devido à presença de defeitos como rugosidade
superficial ou existência de pontos de concentração de tensão, que se originam
devido à forma geométrica da peça ou do processo de manufatura, como por
exemplo, tensões residuais introduzidas pelo tratamento térmico. Além disso, outro
fator que contribui para propagação da trinca é a formação de corrosão.
66
Logo, como os componentes mecânicos possuem uma variedade grande de
fatores geométricos que podem gerar um espectro amplo de gradientes de tensão, o
ideal é que se realizem testes com a peça a ser utilizada para se estabelecer o
comportamento em fadiga do material selecionado.
2.6.19 Resistência à deformação em longo prazo (fluência ou creep)
Canevarolo Júnior (2006) diz que a interdependência das propriedades
mecânicas ao longo do tempo é uma particularidade substancial dos polímeros. Esta
relação ocorre através do fenômeno conhecido como fluência, em que um corpo de
prova de material polimérico é sujeito a um peso constante, neste processo haverá
uma deformação continua ao decorrer do tempo, seja sob tração, flexão ou
compressão.
Termoplásticos são particularmente propensos a problemas de fluência que é
o fluxo do polímero sólido por períodos longos de tempo. Os reforços reduzem a
fluência de polímeros sólidos. Os melhores tipos de preenchimentos que reduzem a
fluencia são aqueles que são altamente anisotrópicos e também aqueles que são
bem ligados ao polímero. A boa interação pode ser devido a alta superfície de área,
como nanoparticulas ou através de interação intriseca entre o polímero e o
preenchimento da superficie, ou por ultimo pelo uso de agentes de acoplamento. A
efetividade do acoplamento é especialmente importante para prevenir a fluência em
elevadas temperaturas e quando o modo esta presente, como estes fatores tendem
a interferir na adesão do preenchimento ao polímero (BRYDSON, 1999).
Para o ensaio de fluência, o corpo de prova é sujeito a uma tensão constante,
então a deformação produzida pode ser constatada. No caso dos polímeros a
melhor identificação do fenômeno de fluência é obtida pelo emprego do modelo de
Voigt (conforme a Figura 27). A fim de relaxar a tensão aplicada, as moléculas ao
serem requisitadas, escoam umas sobre as outras por causa de sua mobilidade
natural, o que produz em um aumento de deformação continua ao longo do tempo.
O emprego deste modelo produz a curva de fluência da Figura 28, que expõe a
relação exponencial entre a deformação ε e o tempo t (CANEVAROLO JÚNIOR,
2006). É importante mencionar que as curvas de fluência não dependem da
temperatura, umidade e presença de solventes na atmosfera, além da tensão.
67
Figura 27 - Modelo de Voigt-Maxwell
Fonte: LESKO (2004)
Figura 28 - a) Curvas de fluência calculadas segundo o modelo de Voigt, apresentadas em escala
linear e logarítmica
Fonte: Adaptado de CANEVAROLO JÚNIOR (2006)
68
As normas ASTM D2990 e ISO 899 estabelecem as condições e
procedimentos para medir a deformação sob carregamento constante durante
período mínimo de 1000 horas.
2.7 PROCESSOS
Os processos de fabricação de materiais plásticos constituem relações
complexas que englobam desde a análise de custo, dificuldades relacionadas a
manufatura, ao volume produtivo e ainda questões ambientais referentes ao material
também. Além disso, a indústria automobilística possui uma série de critérios e
legislações que devem ser atendidos, que permeiam requisitos de desempenho,
segurança e qualidade do produto.
Em adição, é essencial dizer que a seleção final do produto às vezes irá
considerar os melhores processos de fabricação para o produto em questão.
Algumas necessidades de determinados elementos no produto como fina seção,
encaixes longos e delicados, requisitos de concentricidade exata, transparência e/ou
extrema precisão de dimensões, torna certa técnica de fabricação mais desejável
que outras. Portanto, alterar o procedimento usual de seleção é frequentemente
necessário para determinar o material a ser usado e especificar o processo e a
técnica a ser empregada antes do projeto final do produto (ROSATO; ROSATO;
ROSATO, 2004).
E como mencionado, Ghassemieh (2011) indica que a escolha específica de
um método depende do custo e dos requisitos do componente a ser produzido.
Deste modo, para garantir métodos com taxa produtiva elevada, pode-se buscar
ciclos com menor duração ou a maior integração de peças. Além disso, outro fator a
ser preponderado é a possibilidade de conceber um projeto com uma quantidade
menor de componentes no veículo, visando custos menores associados ao
ferramental, ou ainda aproveitar as mesmas ferramentas para outros modelos.
Plásticos normalmente são encaminhados às plantas de fabricação na forma
de pastilhas, pós, grânulos e são fundidos (para termoplásticos) previamente ao
processo de modelagem. E plásticos líquidos que curam em forma sólida são
usados especialmente na fabricação de termofixos e de peças plásticas com
reforços. Com o aumento da consciência sobre o meio ambiente, as matérias-primas
também podem consistir de plásticos reciclados ou picados obtidos nos centros de
69
reciclagem. Como esperado, contudo, a qualidade do produto não é elevada para
estes materiais (KALPAKJIAN; SCHMID, 2001).
Assim, o processamento dos plásticos envolve operações similares aos
empregados para os metais. Forming é o termo denominado para o material que já
possui forma e será extrudido enquanto shaping é o termo que representa o
processo que dá forma ao grânulo polimérico na injeção. Segundo Kalpakjian e
Schmid (2001), o fluxograma apresentado na Figura 29, descreve os processos
básicos e econômicos de plásticos para shaping e forming, considerando
elastômeros, termoplásticos e termofixos, conforme a representação na legenda.
Também descrevem técnicas de processamento para a matriz-metal e compósitos
para matriz-cerâmica, que tem aumentado a sua importância em várias aplicações
com requisitos críticos.
Figura 29 - Esboço de processos de conformação e moldagem de plásticos, elastômeros e materiais
compósitos. (TP = Termoplástico, TS = Termofixo, E = Elastômero)
Fonte: KALPAKJIAN; SCHMID (2001)
70
De acordo com Kalpakjian e Schmid (2001) é conhecido que o ponto de fusão
e cura de termoplásticos e termofixos ocorre em baixas temperaturas. Deste modo,
diferentes dos metais, eles são relativamente fáceis de manipular e requisitam muito
menos força e energia para processa-los. Os plásticos em geral podem ser
moldados, fundidos, formados e usinados em formas complexas em poucas
operações, com relativa facilidade e em taxas produtivas elevadas. Eles também
podem ser unidos de vários modos e pintados (geralmente para melhorar a
aparência) através de diversas técnicas. Plásticos podem ser modelados em
produtos discretos ou em folhas, chapas, haste e tubos que podem então ser
formados por processos secundários em uma variedade de produtos discretos.
Deve-se acrescentar que as propriedades de polímeros, a forma e complexidade de
componentes produzidos são influenciados em grande parte pelos métodos de
manufatura e parâmetros de processo.
E com ênfase maior nas técnicas de manufatura aplicadas aos componentes
automotivos, se nota uma significante demanda pelos procedimentos de adição de
cores e aplicação de texturas, pelo fato de conseguirem reproduzir os anseios do
Design com maior fidelidade reproduzindo materiais naturais como couro, marfim,
diferentes tipos de madeira, entre outros. Vale destacar que as técnicas possuem
grande relevância devido a aplicação das mesmas nas áreas de acabamento no
interior do automóvel. Ademais, Silva et. al. (2009) expõe a existência do benefício
econômico, pois a texturização como já foi mencionado no início do capitulo 2,
diminui a visibilidade de defeitos como imperfeições superficiais e marcas de
processamento (marcas de fechamento de molde ou pequenos “rechupes”). No
entanto, a viscosidade do material detém atenção, sendo decisiva para a realização
da texturização em polímeros. Em razão de que, esta variável é que define a
capacidade do material em fluir para reentrâncias menores (textura na superfície do
molde) que serão reproduzidas na superfície do produto. E pelo fato de que há uma
grande diferença de valores de viscosidade entre materiais termoplásticos e
termofixos (com faixa de variação entre 0,1 Pa.s e 106 Pa.s).
Logo, conforme os aspectos citados anteriormente, Silva et. al. (2009) declara
que a texturização será eficaz ao ser implementada em larga escala produtiva e pela
fabricação de produtos em série, o que reflete a realidade da cadeia produtiva
automobilística. Portanto, a Figura 30 mostra o custo relativo unitário em relação a
71
produtividade (unidades/hora), considerando diversos processos produtivos de
polímeros.
Figura 30 - Relação entre custo relativo por unidade fabricada e produtividade dos principais
processos de fabricação de produtos poliméricos
Fonte:SILVA et al (2009)
De um modo geral, a partir da Figura 30, Silva et. al. (2009) realizaram
algumas considerações sobre as técnicas de processamento para polímeros
termoplásticos e termofixos em relação a texturização. Então, destaca-se os custos
menores por unidade associados a um indice de produtividade maior aos processos
de termoplásticos (injeção, sopro e termoformagem), do que quando comparados
aos termofixos (representados por injeção reatuva e “casting”). O mesmo autor,
ressalta ainda a questão ambiental destes materiais, apoiado no fato de que os
termopláticos são recicláveis e produzidos em maior volume, portanto mais
sustentáveis do que os termofixos que apresentam grandes limitações em relação a
reciclagem.
Como parte relevante dos materiais plásticos resistentes a risco é processada
nas técnicas, extrusão e injeção. As mesmas serão explicadas mais especificamente
a seguir.
72
2.7.1 Injeção
Segundo Kalpakjian e Schmid (2001), a moldagem por injeção possui
algumas características como tamanhos diversos e formas complexas, espessura
fina, taxa produtiva elevada e boa precisão dimensional. É conhecida por ser um
processo em que as pastilhas ou grânulos são introduzidos no cilindro aquecido e a
fusão é forçada para dentro do molde por um êmbolo hidráulico ou pelo sistema de
parafuso rotativo de uma extrusora. Tal como na extrusão de plástico, o cilindro é
aquecido externamente para promover a fusão do polímero. Em máquinas de
moldagem por injeção, contudo, uma porção muito maior de calor é transferida para
o polímero devido ao aquecimento por atrito.
As máquinas mais atuais são do tipo de parafuso alternativo ou de
plastificação, com taxas de pressão desenvolvidas geralmente entre 70 a 200 MPa
(Ver Figura 31). À medida que a pressão se acumula na entrada do molde, o
parafuso de rotação começa a mover-se para trás sob pressão até uma distância
pré-determinada. Este movimento controla o volume de material a ser injetado. E o
parafuso então para de girar e é empurrado para frente hidraulicamente, forçando o
plástico fundido na cavidade do molde. (KASPAKJIAN; SCHMID, 2001).
Figura 31 - Esquema de moldagem por injeção (a) por embolo e (b) parafuso rotativo alternativo
Fonte: KALPAKJIAN; SCHMID (2001)
73
Ainda de acordo com Kalpakjian e Schmid (2001), para os termoplásticos, os
moldes são mantidos relativamente frios em 90°C. Enquanto, as peças termofixas
são moldadas em moldes aquecidos em 200°C, onde a polimerização e a
reticulação ocorre. Depois que a peça esfria suficientemente (para os
termoplásticos) ou ocorre à cura (para os termofixos), os moldes são abertos e os
ejetores são usados para remover a peça do molde. Os moldes são então fechados
e o processo automaticamente é repetido. Elastômeros também são moldados por
injeção em produtos discretos por esses processos. Por causa do material que é
fundido quando injetado no molde, podem ser obtidas formas complexas com boa
precisão dimensional. Contudo, devido ao arrefecimento irregular da peça no molde,
desenvolvem-se tensões residuais.
Os moldes com deslocamento e mandris desenroscados são também
utilizados na moldagem por injeção, eles permitem o molde de peças com múltiplas
cavidades ou características de roscas internas e externas. Para acomodar o projeto
da peça, os moldes tem tido inúmeros componentes, incluindo núcleos, cavidades,
canais de arrefecimento, insertos, pinos knockout e ejetores (KALPAKJIAN;
SCHMID, 2001).
É preciso mencionar também o uso da técnica de texturização no processo de
injeção, devido a sua utilização na indústria no acabamento de produtos e pelo fato
de grande parte dos termoplásticos poderem ser texturizados, se as condições do
molde e processamento forem adequadas. Dentro deste contexto, é importante dizer
que a qualidade final do produto sofre influência da pressão imposta no molde,
assim como pela viscosidade do polímero. De tal modo, que as melhores condições
de processo têm como premissa, uma pressão maior e viscosidade menor (deve-se
lembrar de que a viscosidade de cada material sofre influência da mudança de
temperatura de processamento). Pois, quanto maior for a pressão mais rápida será a
injeção e, portanto, a duração do processo também será menor. Contudo, o
surgimento de rebarbas poderá ocorrer se houver excessos tanto no aumento da
pressão quanto na diminuição da viscosidade, por conta do fluxo do plástico nas
bordas do molde (Silva et al, 2009).
A fim de ilustrar melhor a relação entre pressão e viscosidade, na Figura 32
um mapa apresenta uma correspondência entre as faixas de viscosidades com as
faixas de pressão para moldagem, de acordo com o material polimérico.
74
Figura 32 - Relação entre a faixa de pressões para moldagem por injeção e viscosidade aparente dos
polímeros nas suas respectivas faixa de temperatura de processamento.
Fonte: Silva et al, 2009 apud CES Edupack (2005)
A seguir foram reunidas em forma de tabela (Tabela 5) as características
específicas relativas à técnica de injeção para materiais termoplásticos.
Tabela 5 - Técnica de injeção - características
Características Injeção
Valores
Peso (kg) 0,01 a 25
Espessura mínima (mm) 0,3 a 10
Complexidade (perfil) Alta
Tolerância (mm) 0,05 a 1
Rugosidade superficial (μm) 0,2 a 1,6
Lote econômico 10 mil a 1 milhão Fonte: Adaptado de MIGUEL et al (2010)
Conforme citado no início deste capítulo, o molde por injeção possui taxa
produtiva considerada elevada, conforme demonstrado na Tabela 5.
Consequentemente, isto representa um custo menor por peça produzida, enquanto,
a boa superfície de acabamento e precisão dimensional acarreta em uma mínima
necessidade de arremate. E o motivo pelo qual a qualidade obtida nas peças
injetadas é superior se dá pela diferentes forças de compactação e taxas de pressão
75
maiores do que no processo de extrusão. No entanto, existem outros fatores que
necessitam ser avaliados, pois Lokensgard (2004) destaca o elevado custo do
equipamento e ferramental ao comparar este processo em relação a outros.
2.7.2 Extrusão
O processo de extrusão é conhecido pelas altas taxas de produtividade (lote
econômico de 10 a 1 milhão), relativo custo baixo com o ferramental e por ser um
processo contínuo, além de outras características.
Na extrusão, é produzido um grande volume de plásticos. Matérias-primas em
forma de pastilhas termoplásticas, granulados ou pós são colocados em um funil e
introduzidos no barril de um extrusor de parafuso (Figura 33). O barril é equipado
com parafuso helicoidal que mistura as pastilhas e os transporta para baixo no barril.
Os aquecedores de barril e o atrito interno de uma ação mecânica do parafuso
aquece as pastilhas e liquefazem elas. A ação do parafuso também acumula
pressão no barril (KALPAKJIAN; SCHMID, 2001).
Figura 33 - (a) Esquema de um parafuso extrusor típico (b) geometria de um parafuso extrusor
Fonte:KALPAKJIAN; SCHMID (2001)
Kalpakjian e Schmid (2001) citam as três seções distintas dos parafusos:
1. Seção de alimentação: Transporta o material do funil para a região central do
barril.
76
2. Seção de fusão (também chamada de seção de compressão ou de transição):
Onde o calor gerado pelo cisalhamento viscoso dos grânulos de plástico e pelos
aquecedores externos faz com que a fusão comece.
3. Secção de medição ou de bombeamento: Onde ocorre o cisalhamento adicional
(a uma taxa elevada) e a fusão ocorre, com a pressão aumentando.
Kalpakjian e Schmid (2001) dizem que os comprimentos dessas seções
individuais podem ser alterados para acomodar as características de fusão de
diferentes tipos de plásticos. O plástico derretido é então forçado para o molde em
processo similar ao da extrusão de metais. Uma tela de filtro de fio de metal
normalmente é instalada antes do molde a fim de filtrar resina solidificada ou não
derretida. A tela também ajuda aumentar a contrapressão no barril e é substituído
periodicamente. Existe também um mecanismo com inúmeros furos para ajudar na
mistura do polímero no molde. O produto extrudido é em seguida refrigerado,
normalmente ocorre pela exposição a sopro de ar ou pela passagem de água
através de um canal. O controle da taxa de uniformidade da refrigeração é
importante para minimizar os efeitos de contração e distorção no produto.
Por causa da alimentação contínua de material do funil, produtos longos
(como hastes sólidas, seções, canais, folhas, tubos, tubulações e componentes
arquitetônicos) podem ser extrudidos continuamente. Formas complexas com
secção constante cruzada pode ser extrudida com relativo custo ferramental baixo.
Além disso, parâmetros importantes que afetam o mecanismo de extrusão do
polímero tem impacto direto na qualidade do produto no projeto do extrusor, devido
a essas razões têm sido estudados extensivamente. Parâmetros como velocidade
rotacional do parafuso extrusor, temperatura da parede do barril, projeto do molde e
taxa de refrigeração são importantes para garantir a integridade do produto e
precisão dimensional uniforme (KALPAKJIAN; SCHMID, 2001).
Materiais poliméricos em geral (termoplásticos) processados com a técnica de
extrusão estão de acordo com as seguintes características apresentadas na Tabela
6.
77
Tabela 6 - Técnica de extrusão - características
Características Extrusão
Valores
Peso (kg) 1 a 1000
Espessura mínima (mm) 0,1 a 900
Complexidade (perfil) Baixa
Tolerância (mm) 0,2 a 2
Rugosidade superficial (μm) 0,5 a 12,5
Lote econômico 10 mil a 1 milhão Fonte: Adaptado de MIGUEL et al (2010)
Em relação a extrusão, as necessidades do projeto da peça devem considerar
fatores como a baixa complexidade obtida com a utilização desse processo, e os
requisitos de acabamento, uma vez que as características da extrusão (conforme
apresentado na Tabela 6) como tolerância e rugosidade superficial não
proporcionam o mesmo nível de precisão que a injeção, outro processo amplamente
utilizado.
Ao analisar os fatores enconômicos associados a este processo identifica-se
o lote com taxas de produtividade tão elevadas quanto as de injeção. No entanto,
diferentemente da injeção, a extrusão possui um custo menor para o ferramental
(Lokensgard, 2014).
78
3 SELEÇÃO DE MATERIAIS
A seleção de materiais é uma atividade que se relaciona com todas as áreas
e é de extrema importância para o processo de desenvolvimento do produto.
Segundo SAPUAN (2001), isto pode ser identificado através do conceito de
engenharia simultânea, em que a definição de materiais influência o modelo de
projeto, desde a investigação de mercado (devido à especificação do produto), a
forma do produto, a análise do projeto, a manufatura e montagem. A Figura 34
ilustra o fluxo do processo descrito, por meio de um modelo de projeto global
existente para qualquer produto.
Figura 34 - Importância da seleção de materiais no desenvolvimento do produto
Fonte: Adaptado de SAPUAN (1998)
Além das inter-relações expostas no parágrafo anterior, Azevedo (2011) diz
que para executar de forma satisfatória o projeto de um produto, os engenheiros
necessitam demonstrar as seguintes características:
Adquirir uma perspectiva maior dos materiais e processos.
Entender as propriedades dos materiais e suas origens.
Ter habilidade de selecionar os melhores materiais e processos de
acordo com os requerimentos do projeto.
Acessar informações e ferramentas para comparação e seleção.
No entanto, a seleção de materiais não é uma tarefa simples, baseia-se na
análise racional do problema. E às vezes é dificultada por dados de propriedades
insuficientes ou imprecisos, mas tipicamente se torna uma decisão tomada em frente
79
de múltiplas restrições sem que tenha sido definida uma função objetiva.
Geralmente, a questão que envolve a seleção de materiais abrange as seguintes
situações (DIETER, 1991):
1. A seleção de materiais para um novo produto ou novo design.
2. Reavaliação de um produto existente ou projeto para reduzir custo,
aumentar a confiabilidade, aumentar o desempenho e etc.
Ressaltando que a substituição de um material por outro não explora todo o
potencial do material e que a escolha do material envolve também o processo. Neste
contexto, Ashby (2012) afirma que o projetista deve considerar as propriedades
materiais e a forma da seção para otimizar o desempenho de um componente
durante o processo de desenvolvimento do produto. E a principal questão em
realizar a seleção de materiais é que a definição do material não ocorre
independentemente da escolha do processo, pois existe uma interação entre função,
material, forma e processo (ver Figura 35).
Figura 35 - Problema central da seleção de materiais no projeto mecânico: a interação entre função,
material, forma e processo.
Fonte: Adaptado de ASHBY (2012)
Deste modo, como pode ser visto na Figura 35, ao optar por um material, os
processos são influenciados em função da capacidade de um material ser
manufaturado. Enquanto, as propriedades geométricas e tolerâncias são
determinadas conforme o processo. E assim a especificação do processo delimita a
opção do material e as formas possíveis, da mesma forma, que a especificação da
forma demarca a seleção do material e processo (ASHBY, 2012).
80
No caso de polímeros, em um projeto, ao utilizar material compósito, é
necessário analisar o mesmo. Pois, a escolha não representa simplesmente
substituir um material metálico por um novo, mas sim redefinir o projeto da peça e
selecionar o tipo de tecnologia de produção que será usada na manufatura do
componente. Sendo esta uma decisão que afetará profundamente o desempenho
estrutural, o custo e a taxa produtiva (CAMPBELL, 2004).
Somadas as dificuldades oriundas das relações existentes entre forma,
material, processo e função, há outro problema considerável a cerca da imensa
quantidade de materiais que tem aumentado a cada dia. Ashby (2012) cita a
existência de mais de 240 mil materiais e consequentemente devido a esta enorme
quantidade de materiais disponíveis, houve a necessidade de utilizar outra forma de
classifica-los, pois pesquisar individualmente os materiais de forma enciclopédica se
torna inviável.
De acordo com Assunção et al (2013), uma forma de classificação que pode
ser utilizada, conhecida como fenomenológica, associa a composição e a estrutura
dos materiais em relação a suas propriedades e usos (taxonomia evolutiva). Então,
deste modo os materiais são qualificados em três grupos principais, em
conformidade com as estruturas atômicas, tipos de ligações químicas predominantes
e conforme a necessidade em até mais três grupos adicionais que englobam
características de fabricação ou utilização, conforme pode ser visto na Figura 36.
Figura 36 - Taxonomia dos materiais, da esquerda para a direita, classificados por reinos (kingdom),
famílias (family), classes e tipos de membros (class & member) e atributos dos materiais.
Fonte: ASHBY (2012)
81
3.1 MÉTODOS DE SELEÇÃO DE MATERIAIS
Como foi exposta na seção anterior a atividade de definição do material
envolve vários fatores e no campo de pesquisa já foram desenvolvidas diferentes
metodologias para este assunto:
Assunção et al (2013) afirmam que o trabalho desenvolvido pelo engenheiro
Michael Ashby tem sido relevante para a comunidade acadêmica e para a
indústria também. Sua metodologia para seleção de materiais se diferencia
devido à elaboração de mapas de seleção de materiais em função de
propriedades mecânicas (dureza, módulo de elasticidade) e ao conceito de
índice de mérito. Nesta sistemática são definidos requisitos de projeto, para
posteriormente determinar funções que estão relacionadas a propriedades
mecânicas e delimitadas por restrições também. Ashby ainda disponibilizou a
sua metodologia para aplicação na forma de software, CES Selector (Granta
Design). Segundo Azevedo (2011) inúmeras empresas, Airbus, Boeing IDS,
GE Aviation, Honeywell Aerospace, NASA Glenn Research Center, NASA
Marshall Space Flight Center, Parker Aerospace, Raytheon Rolls Royce e
inclusive instituições do governo norte-americano como US Army Research
Laboratory, US Naval Surface Warfare Center Williams International têm feito
uso do software devido a sua funcionalidade, custo e redução de tempo.
Dieter apud Assunção (1999) desenvolveram outro modelo para seleção de
materiais bastante relevante e que vem sendo aplicado no meio acadêmico e
em várias empresas. Seu modelo é bem estruturado e se baseia no seguinte
processo: primeiramente na análise de requisitos funcionais para os materiais,
na subtração de materiais e processos que não atendem os requisitos e
seleção de materiais com potencial em termos de desempenho, custo,
fabricação e por fim verificar experimentalmente o material especificado em
condições de serviço a fim de se obter dados estatísticos confiáveis.
Callister (2008) expôs alguns casos para demonstrar o processo de seleção
de materiais que se baseia nos requisitos de projeto e gráficos para a seleção
prévia de materiais potenciais, para posteriormente realizar uma análise
técnica mais depurada em relação às propriedades materiais. Callister
também considera uma abordagem econômica sobre a escolha do material, e
análise de falha assim como Dieter.
82
As técnicas mais tradicionais para a seleção de materiais foram mencionadas
e pode-se dizer que todas possuem aspectos positivos, mas também dificuldades
em relação a sua aplicabilidade quando existe uma quantidade imensa de materiais
disponíveis ou uma grande limitação no projeto (como restrição diversas
propriedades materiais). Portanto, é necessário conceber um novo processo capaz
de empregar as melhores práticas possíveis para plásticos de engenharia em
automóveis. Para isto, a viabilidade deste método dependerá de sua facilidade em
ser utilizado, assim como a assertividade dos resultados encontrados a partir dele.
Deste modo, algumas questões precisam ser analisadas, como a
complexidade da tarefa. Ferrante (2000) compara o processo de seleção de
materiais a um funil, pois em um primeiro momento, oportunidades coerentes são
consideradas, mas à medida que as restrições são aplicadas o procedimento se
torna mais especifico e minucioso. Como pode ser visto na Figura 37.
Figura 37 - O “afunilamento” de um típico procedimento de seleção de materiais e alguns
critérios de decisão ao longo do evento
Fonte: FERRANTE (2000)
Este cenário complexo inclui múltiplos objetivos e capacidades técnicas
diversas que irão resultar em uma quantidade de materiais candidatos. Para que isto
ocorra, várias atividades estão vinculadas a metodologia, como reunir e ordenar os
dados de propriedades materiais. Estas atividades apesar de serem trabalhosas são
83
fundamentais para a obtenção do banco de dados. E caso o primeiro filtro não
aconteça a partir de um banco de dados (tabela em Excel ou busca
computadorizada), a seleção também poderá ocorrer através dos mapas das
propriedades de materiais (técnica desenvolvida por Ashby, representada na Figura
38). No entanto, a melhor opção levará em conta a quantidade de propriedades a
terem os seus dados comparados, pois apesar da praticidade e fácil solução
encontrada pelo uso dos mapas de propriedades, a mesma pode ser dispendiosa
quando se tem muitas restrições a serem avaliadas (FERRANTE, 2000).
Figura 38 - Um exemplo dos Mapas das Propriedades dos Materiais como inicialmente desenvolvidos
(mapa módulo de Young versus densidade)
Fonte: ASHBY (2012)
Além disso, embora a metodologia desenvolvida por Ashby seja considerada
a melhor até o momento, a mesma encontrou dificuldades em ser utilizada na
indústria, pois não pondera diversos fatores desejados pelas empresas e também
84
determina somente um material como escolha final do processo (como pode ser
visto na Figura 39).
Figura 39 - Processo sistemático de seleção ASHBY
Fonte: Adaptado de ASHBY (2012)
Entende-se que o balanço desses fatores é mais bem efetuado ao se fazer
uso de técnicas de ponderação, pois critérios estéticos e de custos também podem
ser avaliados.
De acordo com Ferrante (2000), as matrizes de decisão representam a
importância numérica relativa dos critérios. Enquanto a atribuição da
proporcionalidade ou pesos pode ser influenciada por fatores:
Mercadológico – escala produtiva, custo, estética, durabilidade, etc.
Técnico – análise dos efeitos de propriedades mecânicas e físicas nas
condições de operação.
Industriais e corporativos – disponibilidade de materiais na entrada do
processo (insumos), reciclabilidade, impacto ambiental e existência de
normalização.
85
Como pode ser observada, a seleção de materiais transpõe diversas áreas da
engenharia. Logo, o procedimento de matriz de decisão é o mais amplo e
competente para classificar os requisitos do produto. Em vista disso, o pesquisador
Ferrante (2000) diz que a matriz de decisão desenvolvida por Pahl & Beitz, é
considerada a mais qualificada nesta área. No entanto, existem outras metodologias
de decisão conhecidas, como a de Pugh, considerada inteiramente qualitativa e por
tanto o seu uso é aconselhado somente no inicio do projeto. Existe também a
metodologia de Dominic que permite certo grau de quantificação/atribuição de notas,
assim como Pahl & Beitz. Por sua vez Ferrante et al (2000) ampliaram a
possibilidade de quantificação do método de Pahl & Beitz ao empregarem valores de
índices de mérito em vez de utilizar notas.
86
4 MÉTODO PARA SELEÇÃO DE MATERIAIS PLÁSTICOS RESISTENTES A
RISCOS
Estabelecer um procedimento para selecionar os materiais mais adequados
para determinada aplicação no projeto automotivo pode produzir inúmeros
benefícios. Contudo, essa é uma atividade árdua, pois existem milhares de materiais
disponíveis para utilização. Deste modo, uma forma de se reduzir os riscos de definir
um material que não seja a melhor opção, ou até mesmo, que não atenda os
requisitos do produto em desenvolvimento, é estabelecer um processo estruturado
que tem por objetivo facilitar a seleção do material.
Este processo de seleção de materiais plásticos resistentes a riscos foi
gerado a partir da estratégia de seleção desenvolvida por Ashby, um método que
evoluiu e se aperfeiçoou ao longo do tempo e é tido como referência na área. Além
deste, outros conceitos pertinentes ao tema serão utilizados, como matriz de
ponderação de Pahl & Beitz e índice de mérito, todos já introduzidos no capítulo
anterior.
Com o objetivo de tornar o procedimento formulado mais praticável aos
propósitos da pesquisa, o mesmo sofreu modificações em relação ao método de
Ashby. Como contribuições da pesquisa foram acrescentados o índice de mérito na
segunda etapa e a matriz ponderacional no terceiro passo, que possibilitaram uma
avaliação mais adequada aos objetivos do trabalho. Portanto, as próximas seções
descreverão a estratégia de seleção de materiais plásticos resistentes a riscos
desenvolvida para esta pesquisa. Para isto, um modelo de processo de decisão tem
como base os seguintes aspectos:
Condições de serviço da peça, propriedades materiais mais críticas, a análise
comparativa de materiais com maior potencial de atender as especificações.
Análise do material classificado com as melhores características para
exposição de dados relacionados a custo, manufaturabilidade e
disponibilidade.
É proposta ainda uma busca mais detalhada de informações dos materiais
selecionados.
87
Para melhor explicar o procedimento, este foi divido em quatro partes
conforme é apresentado no fluxograma a seguir (ver Figura 40) que corresponde ao
processo descrito.
Figura 40 - A estratégia para seleção de materiais
Fonte: Autor (2016)
4.1 ETAPA 1 – ANÁLISE DOS REQUISITOS DO PROJETO
A primeira etapa do processo consiste em determinar as condições de serviço
que o produto (componente ou peça) possui como atribuições. A seguir, devem-se
ser especificadas as propriedades críticas dos materiais e certificar quais materiais
plásticos possuem os requisitos necessários para atender as condições requeridas
na faixa de operação da peça.
Para isso Azevedo (2011) diz que primeiramente é necessário avaliar a
função da peça, ou seja, o que o componente faz. Deste modo, para realizar a
88
abordagem funcional neste sistema, a elaboração das funções terá como base a
metodologia proposta por Miles apud Mercuri (2005), ou seja, “verbo” +
“substantivo”, com a forma verbal no infinitivo. Sendo assim, as funções serão
estabelecidas a partir de requisitos de desempenho (características de desempenho
material) que por sua vez estão associados à especificação funcional do produto.
Dieter (1991) diz que o desempenho ou os requisitos funcionais de um
material normalmente são expressos em termos físicos, mecânicos, térmicos,
elétricos ou de acordo com as propriedades químicas. Logo, as propriedades
materiais estão ligadas com a estrutura básica, ou seja, a composição do material e
o desempenho de uma peça, conforme a Figura 41 ilustra.
Figura 41 - Propriedades materiais – a ligação entre a estrutura e o desempenho
Fonte: Adaptado de DIETER (1991)
Em geral, as especificações são definidas através de propriedades materiais,
podendo ser registradas como requisitos de desempenho que tem como base a
especificação funcional do produto, bem como os parâmetros básicos que podem
ser desenvolvidos no projeto com a finalidade de atender a satisfação do cliente e
evitar riscos e consequentes falhas. Ou ainda pelas condições de projeto que
informará como os componentes serão comprados ou manufaturados (ASHBY,
2012).
A Tabela 7 a seguir exemplifica as características de desempenho material
que podem constituir a lista de especificações por desempenho.
89
Tabela 7 – Características de desempenho material
Características de desempenho material
Propriedades Físicas: Propriedades Mecânicas: Propriedades Térmicas:
Estrutura cristalina Dureza Condutividade
Densidade Módulo de elasticidade Calor específico
Ponto de fusão Tensão Coeficiente de expansão
Pressão de vapor Compressão Emissividade
Viscosidade Coeficiente de Poisson Absortividade
Porosidade Curva de Tensão e deformação Taxa de ablação
Permeabilidade Limite de escoamento Resistência ao fogo
Refletividade Tensão
Transparência Compressão Propriedades Químicas:
Propriedades Ópticas Cisalhamento Posição de
Estabilidade Dimensional Resistência à ruptura Series eletromotriz
Tensão Corrosão e degradação
Propriedades Elétricas: Cisalhamento Atmosférica
Condutividade Rotativa Água salina
Constante dielétrica Propriedades de Fadiga Ácidos
Força coercitiva Suave Gases quentes
Histerese Entalhado Ultravioleta
Corrosão Fadiga Oxidação
Propriedades Nucleares: Contato de Rolamento Estabilidade térmica
Meia vida Desgaste Estabilidade biológica
Seção cruzada Temperatura de Transição Charpy Corrosão sob tensão
Estabilidade Tenacidade à fratura (Klc) Fragilização poor hidrogênio
Alta temperatura Permabilidade hidráulica
Fluência
Tensão de ruptura Propriedades de Fabricação:
Propriedades de amortecimento Fundibilidade
Propriedades de desgaste Tratabilidade do calor
Severo Endurecimento
Abrasão Formabilidade
Erosão Usinabilidade
Cavitação Soldabilidade
Fadiga de contato
Impacto balístico
Fonte: Adaptado de DIETER (1991)
A Tabela 7 engloba somente uma amostra das características de desempenho
material disponíveis, pois além destas existem outras mais. E conforme discutido no
capítulo anterior, com foco na especificação de materiais plásticos resistentes a
riscos as principais propriedades definidas são vistas na Tabela 8.
90
Tabela 8 - Requisitos técnicos
Item Funções
Requisitos Técnicos Todas as
peças
Somente para peças
visíveis
Somente peças em contato com o ar circulante na cabine de
ocupantes
Peça exposta a condições climáticas
Peça sujeita a
transferência de energia
Propriedades Normas
2.6.1 Resistir a riscos Dureza superficial ASTM D785, ISO 2039 X
2.6.2 Suportar impactos Resistência a impacto ASTM D256, ASTM D6110, ISO 179, ISO 180 x
2.6.3 Suportar montagem Módulo de flexão ASTM D790, ISO 178 x
2.6.4 Suportar deformação Módulo de elasticidade ASTM D638, ISO 527 x
2.6.5 Apresentar estabilidade geométrica
Contração no molde ASTM D955, ISO 294 x
2.6.6 Absorção de umidade ASTM D570, ISO 62 X
2.6.7 Expansão térmica ASTM D696, ASTM E831, ISO 11359 x
2.6.8 Índice de Fluidez ASTM D1238 2.6.9 Suportar carga em
temperaturas elevadas Deflexão sob ação de cargas ASTM D648, ISO 75 X
2.6.10 Aumentar beleza Resistência acelerada às intempéries UV ASTM G154 x
Resistência acelerada às intempéries Arco de xênon
ASTM D2565, ASTM D4459, ASTM G155, ISO 4892 x
2.6.11 Brilho (Brilho Especular) ASTM D523, ISO2813 x 2.6.12 Eliminar odor Resistência a odor VDA 270 x
2.6.13 Minimizar emissões Emissão de Formaldeídos VDA 275 x
2.6.14 Emissão de Fogging, Componente Orgânico Volátil (VOC)
VDA 278 x
2.6.15 Retardar chamas Resistência a chamas FMVSS 302 x
2.6.16 Resistir a solventes Resistência Química ASTM D543 X
2.6.17 Aumentar Vida Útil Resistência à Fadiga ASTM D7774 x
2.6.18 Resistência à Deformação a Longo Prazo ASTM D2990 x
2.6.19 Reduzir Peso Densidade ASTM D792, ISO 1183 x
Fonte: Autor (2017)
91
Posteriormente, devem-se aplicar os limites das propriedades definidas pelos
requisitos do produto. Segundo Ashby (2012) essa triagem pode ser realizada
aplicando os limites dos atributos graficamente através de diagramas de seleção de
materiais, conforme o exemplo da Figura 42. Nestes diagramas de seleção de
materiais o objetivo principal é determinar a chamada região de busca, que
representa a janela enquadrada pela restrição dos limites.
Figura 42 – Módulo Diagrama esquemático E-ρ que apresenta um limite inferior para E e um limite
superior para ρ
Fonte: ASHBY (2004).
O exemplo ilustrado na Figura 42 apresenta a região de busca que tem como
propósito identificar materiais plásticos com maiores valores de módulo de
elasticidade (E) e baixa densidade (ρ). Sendo a redução de massa no veículo um
dos principais objetivos na indústria automotiva.
Neste processo, Ashby (2012) demonstra que a utilização dos mapas de
seleção de materiais proporciona uma grande vantagem, possibilita eliminar
inúmeros materiais que não correspondem à limitação determinada pelas restrições.
Entretanto, a técnica será mais útil quando a quantidade de propriedades a serem
examinadas não for numerosa.
92
4.2 ETAPA 2 – FILTRO DOS MATERIAIS CANDIDATOS
Nesta etapa deve-se analisar a resistência dos polímeros a risco. Através da
análise de um banco de dados de materiais plásticos deve-se selecionar alguns que
atendam os critérios definidos na etapa anterior e tenham um potencial promissor
para aplicação desejada. Para realizar essa seleção será utilizado o Índice de Mérito
(IM).
De acordo com Ferrante et al (2000), o IM é uma fórmula algébrica que, no
contexto de determinado requisito, identifica um compromisso entre duas
características ou propriedades. O IM é uma fração, tendo no numerador a
propriedade que se quer maximizar e no denominador a que se deseja minimizar ou
também pode ser um produto, quando as propriedades devem ser maximizadas.
Ferrante et al (2000) enfatiza que a metodologia de dedução do IM adequado
a uma situação particular é a seguinte:
Estabelecimento da função do produto ou componente
Identificação da restrição
Estabelecimento do objetivo principal
A função, conforme Ferrante et al (2000), pode ser estabelecida a partir do
conhecimento de sua finalidade, enquanto que a restrição identifica-se com a função
e a propriedade que a controla. Logo, devido ao foco deste trabalho, a restrição
escolhida será a resistência ao risco (Scratch resistance - SR).
Ferrante et al (2000), define o objetivo como um requisito a ser imposto para
seleção do material. Para este estudo será adotado a resistência a risco como
objetivo, pois este é o ponto central para o trabalho, principalmente ao considerar a
exposição ou mobilidade que o componente apresenta no veículo.
A Tabela 9 mostra um exemplo de IM de cinco modos de carregamento para
duas condições de projeto: elasticidade e resistência mecânica. Para elasticidade o
numerador é representado pelo módulo de elasticidade (E) e para resistência
mecânica a resistência (σ). Em ambos os casos o objetivo principal é a redução de
peso e, com isso, o denominador é representado pela densidade (ρ).
93
Tabela 9 – Índices de mérito para projetos regidos por rigidez e resistência mecânica.
Modo de
Carregamento Forma
Índice de Mérito
Rigidez Resistência
Flexão Barra, Tubo E1/2 / ρ σ2/3 / ρ
Chapa E1/3 / ρ σ1/2 / ρ
Tração Barra E / ρ σ / ρ
Flambagem Coluna, Tubo E1/2 / ρ -
Chapa E1/3 / ρ -
Torção Barra, Tubo - σ / ρ
Pressão Interna Vaso de Pressão
Cilíndrico E / ρ σ / ρ
Fonte: Adaptado de Ferrante et al (2000)
Com base nisso, neste estudo o IM adotado tem no numerador o índice de
fluidez e no denominador a dureza superficial, de acordo com a Equação 4.
A propriedade de Índice de fluidez foi utilizada por estar diretamente
relacionada com a viscosidade do material. Pois, quanto maior a viscosidade do
material, este aceitará uma quantidade menor de pigmentos. Enquanto um material
com menor viscosidade, ou seja, maior índice de fluidez aceitará uma quantidade
maior de pigmentos. Isto se refletirá na profundidade da cor alcançada no material
plástico e pode até eliminar o processo de pintura. Além de proporcionar uma maior
qualidade no acabamento da peça no molde.
A propriedade de dureza superficial foi utilizada por representar a resistência
que um corpo possui a penetração de outro material.
Deste modo, foram considerados os aspectos de manufatura e resistência ao
risco do material. No entanto, outras escolhas para o índice de método também
podem ser adotadas. Isto dependera principalmente da finalidade do projeto,
podendo englobar perspectivas de custo, redução de massa, entre outros.
(4)
94
4.3 ETAPA 3 – SELEÇÃO DOS MATERIAIS CANDIDATOS
Neste passo o objetivo é realizar a análise (termo conhecido como trade off em
que se define uma escolha em situações em que existe o conflito de escolhas) para
comparar os materiais selecionados na etapa anterior e definir o melhor material
para aplicação desejada.
Segundo Pahl et al (2007), para casos em que a avaliação será conduzida
durante a fase conceitual do projeto e que, nesse caso, se tem poucas informações
em relação aos critérios que serão utilizados, o mais indicado é fazer uma avaliação
qualitativa dos critérios pois ao se estimar valores numéricos para as variáveis pode-
se introduzir um falso senso de convicção para análise.
Sendo assim, para este trabalho será adotado o método qualitativo proposto
por Pahl et al (2007), o qual possui os seguintes passos:
i) Identificação dos critérios de avaliação: Compilar as características técnicas
e as demandas mínimas (restrições) do projeto;
ii) Análise do peso dos critérios de avaliação: Determinar fator de peso se
houver diferença significativa de importância entre os critérios de avaliação.
Uma vez que o peso seja necessário, a soma dos pesos de todos os critérios
deve ser igual a 1;
iii) Determinação do parâmetro dos critérios de avaliação (ver Tabela 10):
Classificar cada critério com base em uma solução ideal;
iv) Comparação dos materiais candidatos: Comparar a classificação dos
diferentes materiais propostos.
Para o primeiro passo, de acordo com Pahl et al (2007), a avaliação para
selecionar o material não deve ser baseada em um aspecto individual e deve
considerar todos aspectos em um balanço apropriado. Desta forma, além do
desempenho (propriedade mecânica) do material, será considerado o custo, a
manufaturabilidade e a disponibilidade do material.
Conforme descrito no passo ii, o uso de peso para os critérios é opcional e só
deve ser utilizado caso a influência do critério seja significativa. Ao contrário, Pahl et
al (2007) recomenda dispensar a adoção de peso para os critérios. Desta forma, o
passo ii do procedimento só será realizado nos casos em que o time que estiver
realizando a seleção do material entenda que um ou mais critérios tenham uma
importância significativa para a avaliação.
95
Para determinação do parâmetro de magnitude dos critérios em avaliação Pahl
et al (2007) indica a adoção de pontos para os valores em uma escala de 0 à 4,
conforme mostrado na Tabela 10. A vantagem dessa escala é que, como o
conhecimento em relação aos critérios em análise é pouco, avaliações mais simples
são suficientes e com significado mais apropriado.
Tabela 10 – Escala de valor
Magnitude Pontos
Insatisfatório 0
Tolerável 1
Adequado 2
Bom 3
Ideal 4
Fonte: Pahl et al (2007)
Para finalizar, deve-se obter uma classificação dos materiais candidatos
através da soma dos valores apurados para cada critério aplicando o peso
respectivo, se for o caso. Um padrão da matriz de decisão a ser utilizada é
apresentado na Tabela 11:
96
Tabela 11 – Matriz de decisão para avaliação de produto
Fonte: Autor (2017)
Supondo que o material tenha sido selecionado na etapa de triagem, o mesmo será avaliado
neste momento conforme a matriz de decisão exibida na
Tabela 11. Deste modo, os critérios serão ponderados primeiramente conforme
o critério desempenho:
(a) Aumentar beleza. Este critério compreende as propriedades de Resistência
acelerada às intempéries UV e Arco de Xênon, além do Brilho especular.
Caso a ficha do material analisado não conste o preenchimento do critério em
relação a nenhuma das 3 propriedades, a nota será 0 (insatisfatório). Se uma
das propriedades atender o índice, a nota será 1 (tolerável). Na hipótese de
duas propriedades satisfazerem o critério, a nota será 2 (adequado). E na
condição de três propriedades cumprirem os requisitos, a nota será 3 (bom).
E quando as três propriedades superarem muito os índices determinados,
então receberá nota 4 (ideal).
97
(b) Eliminar odor. Quando o material não satisfizer o índice referente à norma da
Resistência a odor, sua nota será 0 (insatisfatório). Caso a norma seja
atendida o material será avaliado com nota 2 (adequado). E quando o
polímero exceder bastante o índice da norma, o mesmo pode ser pontuado
com nota 4 (ideal).
(c) Minimizar emissões. Refere-se às propriedades de Emissão de
Formaldeídos, FOG e Componente Orgânico Volátil. Para o material que não
satisfizer os índices de nenhuma das 3 propriedades, receberá a nota 0
(insatisfatório). Caso uma das propriedades seja atendida, a nota será 1
(tolerável). Na condição de duas propriedades atingirem os índices das
normas, então a nota atribuída será 2 (adequado). E na hipótese das três
propriedades cumprirem os requisitos, a nota concedida será 3 (bom). Ao
ultrapassar os índices das três propriedades, logo a nota será 4 (ideal).
(d) Retardar chamas. Está relacionada com Resistência a chamas. Se o material
não satisfizer o índice referente à norma associada à Resistência a chamas,
sua nota será 0 (insatisfatório). Quando a norma for atendida a nota será 4
(ideal).
(e) Resistir a solventes. Está associada à propriedade de Resistência química.
Caso o material não atinja o índice relacionado ao índice de Resistência
química, então receberá nota 0 (insatisfatório). Se o material avaliado atender
o critério, a pontuação será 2 (adequado). E na condição de o polímero
exceder consideravelmente o índice, o mesmo pode será avaliado com nota 4
(ideal).
(f) Reduzir peso. Está correlacionado a propriedade Densidade. A nota 4 (ideal),
será atribuída quando o material avaliado possuir densidade entre 850 e 1025
kg/m³. Ao compreender valores de densidade na faixa de 1025 até 1200
kg/m³, o material receberá nota 3 (bom). Caso a amostra apresente valores
entre 1200 e 1370 kg/m³, a pontuação pode ser 2 (adequado). Quando a
densidade do polímero estiver entre 1370 e 1550 kg/m³, então a nota
concedida será 1 (tolerável). Para valores acima de 1550 kg/m³, a nota
atribuída será 0 (insatisfatório).
Neste momento, a manufaturabilidade são enquadrados conforme:
98
(a) Peso. Comporta peso até 25 Kg para injeção e 1000 Kg para extrusão. Para
atender o critério a nota a ser atribuída será 4 (ideal). Caso não satisfaça a
nota será 1 (tolerável).
(b) Espessura mínima. Compreende valores de espessura mínima até 10 mm
(injeção) e 900 mm (extrusão). A nota 4 (ideal) será dada quando o critério for
atendido, do contrário a nota será 1 (tolerável).
(c) Precisão dimensional. Tolerância de 0,05 a 1 mm (injeção) e 0,2 a 2 mm
(extrusão). Peças com elevada precisão dimensional conceder nota 4 (ideal),
peças com baixa precisão dimensional avaliar como 1 (tolerável).
(d) Complexidade. Complexidade alta (injeção) ou baixa (extrusão). Peças com
complexidade baixa classificar como 4 (ideal), peças com elevada
complexidade avaliar como 1 (tolerável).
(e) Rugosidade superficial. Faixa de valores de 0,2 a 1,6 (μm) para injeção e
0,5 a 12,5 (μm) para extrusão. Considerar nota 4 (ideal) ao atender o critério e
nota 1 (tolerável) para valores fora do especificado.
(f) Taxa de produção. A taxa produtiva é equivalente para ambos, sendo entre
10 mil a 1 milhão. Quando o índice for atendido a nota concedida é 4 (ideal),
em hipótese contrária receberá nota 1 (tolerável).
(g) Contração no molde. Na ausência de dados do polímero e para valores
superiores ao índice determinado pontuar com nota 0 (insatisfatório). E
considerar nota 4 (ideal) para materiais com contração no molde dentro da
especificação.
(h) Absorção de umidade. Na ausência de dados do material e para valores
acima do índice considerar nota 0 (insatisfatório). E para valores abaixo do
índice de absorção de umidade avaliar com nota 4 (ideal).
A disponibilidade é estabelecida de acordo com o critério:
(a) América latina. Para materiais disponíveis geograficamente na América
latina a nota concedida é 4 (ideal). Enquanto a indisponibilidade do mesmo na
região resulta em nota 0 (insatisfatório).
Enquanto, o custo é determinado a partir do seguinte critério:
(a) Preço. Preços de polímeros estimados com referência na tabela de preços da
empresa Plasticker (2017). Preços compreendidos entre 0,40 e 0,55 EUR/kg
terão atribuição de nota 4 (ideal). Valores na faixa entre 0,55 e 0,70 EUR/kg
receberão nota 3 (bom). Será considerada nota 2 (adequado) para preços na
99
faixa de 0,70 e 0,85 EUR/kg. Enquanto que para valores de 0,85 até 1,00, os
materiais serão avaliados com nota 1 (tolerável). Acima de 1,00 EUR/kg os
polímeros serão pontuados como 0 (insatisfatório).
4.4 ETAPA 4 – PROCURAR DOCUMENTAÇÃO
Para finalizar deve-se procurar informações disponíveis dos materiais indicados
como melhor escolha, incluindo aspectos referentes a seu histórico, utilização em
outras aplicações, comportamento em ambientes relevantes, dados experimentais,
de forma a se estruturar um perfil detalhado do material selecionado.
100
5 ESTUDOS DE CASO
Como resultado, do conhecimento obtido a cerca dos tópicos que envolvem a
falha de deformação no material plástico (conhecida como risco), incluindo a
metodologia elaborada para seleção de materiais que será aplicada nesta
dissertação, conforme os conteúdos desenvolvidos nos capítulos 2 e 3. Neste
momento, as seguintes etapas serão colocadas em prática:
Analisar os requisitos do projeto
Filtrar os materiais candidatos
Selecionar materiais candidatos
Procurar documentação
Portanto, neste capítulo foram realizados dois estudos de caso para ilustrar o
método de seleção de materiais plásticos resistentes a riscos. O primeiro
componente é a tampa do porta-luvas e a segunda aplicação foi realizada com a
peça conhecida como base do espelho lateral do veículo. Os estudos de caso se
desenvolveram a cerca dos requisitos de projeto estabelecidos a partir das
propriedades críticas e operacionais das peças.
5.1 PROPOSTA DA PEÇA – TAMPA DO PORTA-LUVAS
O porta-luvas está presente em quase todos os automóveis, geralmente
localizado no painel do veículo, em frente ao passageiro. Existem desde modelos
simples até compartimentos climatizados que possibilitam a refrigeração de bebidas.
Outra opção que varia conforme o veículo é ter vários compartimentos instalados
para maximizar a capacidade de armazenamento no veículo. Sendo assim, a tampa
do porta-luvas tem por objetivo permitir a abertura e fechamento do compartimento,
de modo que os objetos (por exemplo, manual do automóvel, documentos e chaves)
estejam acondicionados no interior do porta-luvas e se mantenham protegidos. Seu
mecanismo de funcionamento se baseia na utilização de dobradiças, pinos de
retenção e/ou alças para abrir e travar a porta. A peça também está sujeita a
movimentação, exposição a elevadas temperaturas, além da radiação ultravioleta e
substâncias químicas durante a limpeza, e necessita também suportar possíveis
impactos durante o fechamento e/ou contra objetos. O componente descrito pode
ser visualizado na Figura 43.
101
Figura 43 - Tampa do porta-luvas (modelo Peugeot 107)
Fonte: PREMIER PEUGEOT (2017)
5.1.1 Identificação das funções e definição dos requisitos – tampa do porta-
luvas
Para atingir os propósitos da pesquisa, é essencial garantir que os atributos
corretos do componente sejam conhecidos. Logo, após determinar qual peça será
estudada, nesta fase pode-se dar inicio a análise de funcionalidade. É importante
afirmar que devido à localização (sujeita a fatores climáticos) e também por possuir
grande apelo estético, a tampa do porta-luvas deve:
- “Apresentar estabilidade geométrica”;
- “Aumentar beleza”;
- “Eliminar odor”;
- “Minimizar emissões”;
- “Reduzir peso”;
- “Resistir a riscos”;
- “Resistir a solventes”;
- “Retardar chamas”;
- “Suportar impactos”;
- “Suportar montagem”;
- “Suportar carga em temperaturas elevadas”.
A fim de tornar mais claro o significado destas funções, as relações existentes
entre funções e requisitos técnicos (propriedades) da tampa do porta-luvas são
expostas na Tabela 12.
102
Tabela 12 - Especificações por desempenho (tampa do porta-luvas)
Item Funções Requisitos Técnicos
Índice Propriedades Normas
2.6.1 Resistir a riscos Dureza superficial ASTM D785, ISO 2039-2 <60 (Escala R)
2.6.2 Suportar impactos Resistência a impacto ASTM D256, ASTM D6110, ISO 179, ISO
180
1,5 – 60 kJ/m2
2.6.3 Suportar montagem Módulo de flexão ASTM D-790, ISO 178 ≤ 1700 MPa
2.6.5 Apresentar estabilidade geométrica
Contração no molde ASTM D955, ISO 294 0,4%
2.6.6 Absorção de umidade ASTM D570, ISO 62 Máximo 3%
2.6.7 Índice de Fluidez ASTM D1238 Maior valor possível
2.6.8 Suportar carga em temperaturas elevadas
Deflexão sob ação de cargas ASTM D648, ISO 75 Acima de 60 ̊C
2.6.9 Aumentar beleza Resistência acelerada às intempéries UV
ASTM G154 Sem alteração significativa na
aparência (amarelamento, bronzeamento,
manchas de água ou aderência)
Resistência acelerada às intempéries Arco de xênon
ASTM D2565, ASTM D4459, ASTM G155, ISO
4892
Alterações de cor não devem exceder ΔE de
3 unidades (Não deve exibir
aderência superficial, fragilização, alteração
na dureza, bolhas) 2.6.10 Brilho especular ASTM D523, ISO 2813 60° gloss (0-10 GU)
2.6.12 Eliminar odor Resistência a odor VDA 270 ≤ 3
2.6.13 Minimizar emissões Emissão de Formaldeídos VDA 275 < 10 mg/kg
2.6.14 FOG VDA 278
≤ 100 μg/g (ppm) (2 mg máx. de substâncias
condensáveis) Componente Orgânico Volátil (VOC)
VDA 278 ≤ 250 μg/g (ppm)
2.6.15 Retardar chamas Resistência a chamas FMVSS 302 + (101,6 mm/min)
2.6.16 Resistir a solventes Resistência química ASTM D543 Sem alteração no grau de brilho ou manchas
2.6.17 Reduzir peso Densidade ASTM D792, ISO 1183 Menor valor possível
Fonte: Autor (2017)
Neste ponto, é efetuada uma triagem inicial dos materiais disponíveis em um
banco de dados de materiais plásticos com aplicação automotiva. Neste contexto,
foram selecionados somente os materiais capazes de atender tecnicamente as
funções da tampa do porta-luvas conforme a especificação das propriedades de
103
módulo de flexão (≤ 1700 MPa), resistência ao impacto (entre 1,5 – 16 kJ/m2) e
temperatura de deflexão (Acima de 60 ̊C). Os materiais selecionados nessa fase
inicial são apresentados na Tabela 13.
Tabela 13 - Propriedades mecânicas (tampa do porta-luvas)
Polímero Fabricante Classe Aplicação
Módulo de Flexão 23 °C
2mm/min [MPa]
(ISO 178 )
Resistência ao impacto
com entalhe IZOD
23°C, 4mm [kJ/m² ]
(ISO 180/A)
Temperatura de deflexão sob ação de
cargas [°C]
(ISO 75-2)
PP
BRASKEN
HOMO (H 202HC) Aplicações de interior automotivo 1950 (1.6 - 6.5)1 127
HOMO (H 502HC) Aplicações de interior automotivo 2200 3.3 130
HECO (CP 202XP) Interior automotivo, peças com
elevada rigidez 1700 4.6 65
TRINSEO INSPIRE™ TF7000
ES
Painel de instrumentos, componentes inferiores e outras
aplicações de acabamento inferior 2400 29 61
BOREALIS
DAPLEN (EF188AI) Painéis de instrumentos, painéis das
portas, outras peças no interior automotivo
1900 (2.0 - 51) 1 100
DAPLEN (EF198HP)
Painéis de instrumentos, revestimentos de assentos, painéis
das portas, consoles de centro, revestimentos dos pilares e
aplicações de interior automotivo
2000 (2.0 - 51) 1 95
DAPLEN (RC101) Acabamento interior, grades,
molduras 2900 3.2 70
DAPLEN (EG265HP)
Painel de instrumentos, painéis das portas, peças interiores automotivas
1800 (2.0 - 51)* 97
ABS
Samsung (LOTTE
ADVANCED MATERIALS)
STAREX Heat Resistant
(SR-0340M) Aplicações no interior do veículo 2500 14 70
1Valores típicos de Resistência ao impacto com entalhe IZOD para materiais PP
Fonte: Autor (2017)
Convém mencionar que para alguns dados referentes à propriedade de
Resistência ao impacto, foram considerados os valores médios da família do
material devido à dificuldade em se obter todos os dados junto ao fabricante do
material.
104
5.1.2 Filtro dos materiais candidatos – tampa do porta-luvas
Como descrito no capítulo 4, o índice de mérito (IM) é calculado através da
razão das variáveis das propriedades de Índice de Fluidez e Dureza Superficial,
conforme é mostrado na Tabela 14.
Tabela 14 - Índice de mérito (tampa do porta-luvas)
1Valores típicos de Índice de Fluidez para materiais PP
2Valores típicos de Índice de Fluidez para materiais ABS
3Valores típicos de Dureza Superficial para materiais PP
4Índice de Mérito estimado com base na faixa de valores do Índice de Fluidez e/ou Dureza Superficial
Fonte: Autor (2017)
É necessário evidenciar que as propriedades foram escolhidas para estimar o
IM com o objetivo de obter os materiais com menor viscosidade, ou seja, maior
índice de fluidez e, por conseguinte ofereçam menor resistência ao fluxo no
Polímero Fabricante Classe Aplicação
Índice de Fluidez
230 °C/2.16 kg (cm³/10 min)
ISO 1134
Índice de Fluidez
220 °C/10 kg (cm³/10 min)
ISO 1134
Dureza Superficial Rockwell [R scale]
(ISO 2039-2)
IM (Índice de
Fluidez / Dureza)
PP
BRASKEN
HOMO (H 202HC)
Aplicações de interior automotivo
23 - 109 0.211
HOMO (H 502HC)
Aplicações de interior automotivo
3.3 - 110 0.03
HECO (CP 202XP)
Interior automotivo, peças com elevada rigidez
(1.80 - 135)1 - 97 (0.018 – 1.391)4
TRINSEO INSPIRE™ TF7000 ES
Painel de instrumentos, componentes inferiores e
outras aplicações de acabamento inferior
27 - (60 - 88)3 (0.306 - 0.45)4
BOREALIS
DAPLEN (EF188AI)
Painéis de instrumentos, painéis das portas, outras
peças no interior automotivo (7.85 – 18.1)1 - (90 - 98)3 (0.080 – 0.201)4
DAPLEN (EF198HP)
Painéis de instrumentos, revestimentos de assentos,
painéis das portas, consoles de centro, revestimentos dos
pilares e aplicações de interior automotivo
(7.85 – 18.1)1 - (90 - 98)3 (0.080 – 0.201)4
DAPLEN (RC101)
Acabamento interior, grades, molduras
22 - 102 0.215
DAPLEN (EG265HP)
Painel de instrumentos, painéis das portas, peças
interiores automotivas 21 - (90 - 98)3 (0.214 – 0.233)4
ABS
Samsung (LOTTE
ADVANCED MATERIALS)
STAREX Heat Resistant
(SR-0340M)
Aplicações no interior do veículo
- (1.30 - 41.2)2 110 (0.011 – 0.374)4
105
processo de fundição, como também determinar materiais que detenham melhores
propriedades de resistir ao risco.
A partir dos quocientes determinados previamente na Tabela 14, os materiais
com os melhores índices de mérito foram identificados:
HECO CP 202XP (BRASKEN) – 0.704
DAPLEN EG265HP (BOREALIS) – 0.223
DAPLEN RC101 (BOREALIS) – 0.215
Homo H 202HC (BRASKEN) – 0.211
STAREX Heat Resistant SR-0340M (Samsung) – 0.192
Em relação aos materiais HECO CP 202XP, DAPLEN EG265HP e STAREX
Heat Resistant SR-0340M foram calculados o valor médio para os IMs a fim de
identificar os quocientes com melhores pontuações.
5.1.3 Seleção do material – tampa do porta-luvas
O próximo passo no mecanismo de seleção de polímeros com resistência a
riscos consiste no acréscimo das funções “aumentar beleza”, “eliminar odor”,
“minimizar emissões”, “retardar chamas”, “resistir a solventes” e “reduzir peso”. Até o
momento, as mesmas não haviam sido incluídas na análise preliminar, no entanto,
serão inseridas nesta fase como requisitos constituintes do fator desempenho na
matriz ponderacional (ver Tabela 15). A estratégia da pesquisa assegura o exame
de funções ainda não avaliadas, relacionadas à estética do produto e a requisitos
legais (ainda não vigentes em nosso país) para que sejam consideradas
características contribuintes para um maior desempenho do material.
Sendo assim, os melhores materiais identificados no processo de atribuição
de índice de mérito, HECO CP 202XP, DAPLEN EG265HP, DAPLEN RC101, Homo
H 202HC, STAREX Heat Resistant SR-0340M, serão avaliados neste momento de
acordo com a técnica ponderacional. A decisão sobre o material final a ser escolhido
será caracterizada pelo exame dos elementos de desempenho, manufaturabilidade,
disponibilidade e custo, conforme é demonstrado na Tabela 15.
106
Tabela 15 - Técnica ponderacional (tampa do porta-luvas)
FATOR PESO
CRITÉRIO HECO
CP 202XP (Injeção)
HOMO H 202HC (Injeção)
DAPLEN EG265HP (Injeção)
DAPLEN RC101 (Injeção)
STAREX Heat Resistant SR-0340M (Injecão)
DESEMPENHO 1
AUMENTAR BELEZA
ELIMINAR ODOR
MINIMIZAR EMISSÕES
RETARDAR CHAMAS
RESISTIR A SOLVENTES
REDUZIR PESO
MANUFATURABILIDADE 1
PESO
ESPESSURA MÍNIMA
PRECISÃO DIMENSIONAL
COMPLEXIDADE
RUGOSIDADE SUPERFICIAL
TAXA DE PRODUÇÃO
CONTRAÇÃO NO MOLDE
ABSORÇÃO DE UMIDADE
DISPONIBILIDADE
AMÉRICA LATINA
CUSTO 1 PREÇO (EUR)/Kg
TOTAL 11,63 12,13 13,46 12,63 12,79
Fonte: Autor (2017)
1
0
6
6
1 6 6
1 2 6 2
0 6 6 0 0
6
6
0 6
0
0
6
6
1 6
4 6
0 6
0 6
4 6
4 6
4
4
1
3
6
6
6
6
0
4
1
3
6
6
6
6
2
4
2
3
6
6
6
6
4
4
1
1 3 1
1
8
1
1
1
4
4 1
1 4 1
4
4
4
4
4
1
4
4
8
8
8
8 8
8
8
4 8
4 8
4
8
4
4 4
8 1
8 1
8 8
8
8 4
8 4
8 4
8
8
8
8
8
8
4 8
8
1
4
4
4 4
4 8
4 8
1 8
4 4 8
4 4 8
0
0
8
8 8
8
4
4
4 8
8
8
8
4 8
0
4 8
8
4
0 0
0
107
Baseado nos dados obtidos na Tabela 15, têm destaque os critérios “Eliminar
odor” e “Minimizar emissões” associados ao elemento Desempenho, pois
apresentaram notas insatisfatórias em geral. Quanto as funções “aumentar beleza”,
“retardar chamas” e “resistir a solventes”, estas não atingiram notas elevadas, com
exceção do material HOMO H 202HC (a função “Resistir a solventes”). Ou seja,
dentro quesito desempenho todos os materiais candidatos não atendem plenamente
os requisitos.
Para o elemento de manufaturabilidade, não há distinção de pontuação entre
os materiais, porque todos são obtidos pelo processo de injeção. Entretanto, sabe-
se que as técnicas mais empregadas para este tipo de aplicação são principalmente
injeção e extrusão em menores quantidades. Quanto à disponibilidade, verificou-se
que todos os materiais são comercializados na região da América Latina. E que a
condição do polímero STAREX Heat Resistant SR-0340M, é menos competitiva
financeiramente que os demais, por este ser de material ABS.
É importante dizer que embora o elemento custo, seja um fator substancial
em qualquer processo de seleção de materiais, neste caso, o mesmo teve a mesma
atribuição de peso que os demais elementos (desempenho, manufaturabilidade,
disponibilidade). A ponderação foi realizada com base na estimativa do custo relativo
dos materiais, devido ao impedimento em conseguir os valores específicos junto aos
fabricantes. Em vista disso, o custo do material ABS foi estimado com base nos
valores obtidos a partir do relatório da BVSE (2017).
Com isso, a somatória da pontuação designada aos materiais candidatos
destacou o material DAPLEN EG265HP como sendo uma das melhores escolhas
dentre os que foram examinados. O resultado superior nos critérios relacionados ao
elemento desempenho determinou que este material como uma boa escolha. É
importante expor também que o DAPLEN EG265HP é um material indicado para
aplicação no interior do veículo (Painel de instrumentos, painéis das portas, entre
outras), conforme pode ser visto na Tabela 13.
Enquanto que o gráfico de bolhas (Gráfico 1) evidencia além do material
DAPLEN EG265HP, o HECO CP202XP como um material com melhor desempenho
na resistência ao risco, além de ter um bom desempenho na ponderação também.
Planilha e gráficos gerados a partir dos dados de materiais plásticos filtrados para a
peça tampa do porta-luvas, aplicando a metodologia de seleção de materiais
descrita no trabalho.
108
Gráfico 1 – Seleção de materiais plásticos resistentes a riscos – Tampa do porta-luvas
Fonte: Autor (2017)
5.1.4 Documentação dos materiais selecionados – tampa do porta-luvas
Ao analisar os resultados obtidos com o emprego da ponderação determinou-
se que os polímeros que obtiveram maior pontuação foram o DAPLEN EG265HP e o
Starex SR-0340M, respectivamente, com pontuações de 13,46 e 12,79 (de até 16,00
pontos possíveis). Nessa abordagem a diferença mais significativa nos resultados
surgiu devido ao critério de custo, pelo fato de o polipropileno ter custo inferior ao
ABS. Ambos possuem valores semelhantes de Dureza superficial, Temperatura de
deflexão sob ação de cargas, todavia, o material com maior pontuação detém
também a menor densidade, aspecto relevante para análises com foco na redução
de peso.
Nota-se ainda que o material DAPLEN EG265HP é o único entre 5 candidatos
que atende ao critério referente a emissões. Contudo, o mesmo não satisfaz o
critério relativo a odor. Outro aspecto atrativo neste polímero se deve ao conceito
ecológico, pois este plástico é reciclável.
A Figura 44 apresenta outras propriedades do DAPLEN EG265HP em
comparação com um plástico polipropileno genérico, em um gráfico de radar.
109
Figura 44 - Balanço de propriedades
Fonte: Ultraprospector (2017)
O uso de mineral no nível de 20% demonstra melhora expressiva no
desempenho do material na resistência ao impacto com o teste Charpy, como pode
ser visto na Figura 44. Em termos de processo, um significativo aumento no índice
de fluidez pode ser observado também. O que reflete diretamente no bico da
injetora, como uma oposição que um plástico mais viscoso ofereceria para escorrer.
Com relação a preço, o gráfico de radar coloca os dois materiais com valores
similares.
No entanto, dentro da análise da capacidade de resistência maior ao risco o
HECO CP202XP, também de polipropileno sai-se melhor, conforme a representação
gráfica de desempenho dos materiais no Gráfico 1.
Agora em outra perspectiva, o material DAPLEN RC101 pode ser uma
alternativa viável também em comparação com o STAREX SR-0340M, uma vez que
os dois obtiveram pontuações próximas, sendo o primeiro 12,63 e o material ABS
12,79. Em termos de desempenho o material STAREX SR-0340M possui um
desempenho relativamente um pouco melhor, mas considerando custos, o DAPLEN
RC101 se mostra mais competitivo. Logo, conclui-se que para aplicações de interior
o polipropileno pode ser empregado.
110
5.2 PROPOSTA DA PEÇA – BASE DO ESPELHO LATERAL RETROVISOR
A base do espelho lateral retrovisor é posicionada nas portas a frente do
motorista e do passageiro frontal, está sujeita a condições climáticas (intempéries),
sendo exposta a elevadas temperaturas e substâncias químicas como detergentes
durante a limpeza. Esta peça sustenta o conjunto do espelho retrovisor (a mesma
pode ser identificada na Figura 45 e Figura 46), sendo reconhecida como parte
integrante de um dos elementos de segurança ativa no veículo. O componente da
base também está sujeita a movimentação deste mesmo conjunto (composto pelo
protetor do espelho, invólucro do espelho, moldura, sinal de direção, unidade de
ajuste e espelho) contra possíveis obstáculos, incluindo motos, outros veículos e
portão.
Figura 45 - Base do espelho lateral
Fonte: BASF (2013)
Figura 46 - Vista da geometria externa do retrovisor (parte traseira)
Fonte: THOR; CHIPPA; MAJAGE (2015)
A base do espelho lateral possui importância estética e aerodinâmica também
(na área frontal do veículo). Ao avaliar o segundo item, a base é responsável por
produzir mínima vibração no conjunto a fim de evitar vibrações no espelho e
111
minimizar os ruídos produzidos pelas complicações provenientes da coluna A, área
localizada entre o compartimento do motor e a porta dianteira, uma região de fluxo
instável e vórtices (OLSSON, 2011).
5.2.1 Identificação das funções e definição dos requisitos – base do espelho
lateral retrovisor
A peça definida como objeto deste estudo é a base do espelho retrovisor,
sendo caracterizada como uma peça localizada na região exterior do veículo que
necessariamente deve:
- “suportar vibrações”;
- “suportar impactos”;
- “suportar montagem”;
- “apresentar estabilidade dimensional”;
- “resistir a riscos”;
- “suportar carga em temperaturas elevadas”;
- “aumentar beleza”;
- “resistir a solventes”.
Consequentemente as exigências para a escolha do material devem
satisfazer as propriedades relacionadas aos requisitos funcionais da peça, através
das funções declaradas anteriormente. Assim, as características de desempenho
material resultaram na elaboração da Tabela 16:
112
Tabela 16 - Especificações por desempenho (base do espelho lateral retrovisor)
Item Funções Requisitos Técnicos
Índice Propriedades Normas
2.6.1 Resistir a riscos Dureza superficial ASTM D785, ISO 2039-2 60 - 130 (Escala R)
2.6.2 Suportar impactos Resistência a impacto ASTM D256, ASTM D6110, ISO 179, ISO
180
1,5 – 60 kJ/m2
2.6.3 Suportar montagem Módulo de flexão ASTM D-790, ISO 178 2000 – 4000 MPa
2.6.5 Apresentar estabilidade geométrica
Contração no molde ASTM D955, ISO 294 0,4%
2.6.6 Absorção de umidade ASTM D570, ISO 62 Máximo 3%
2.6.7 Índice de Fluidez ASTM D1238 Maior valor possível
2.6.8 Suportar carga em temperaturas elevadas
Deflexão sob ação de cargas
ASTM D648, ISO 75 ≤60 ̊C
2.6.9 Aumentar beleza Resistência acelerada às intempéries UV
ASTM G154 Sem alteração significativa na
aparência (amarelamento, bronzeamento,
manchas de água ou aderência)
Resistência acelerada às intempéries Xenon Arc
ASTM D2565, ASTM D4459, ASTM G155, ISO
4892
Alterações de cor não devem exceder ΔE de
3 unidades (Não deve exibir
aderência superficial, fragilização, alteração
na dureza, bolhas)
2.6.10 Brilho especular ASTM D523, ISO 2813 60° gloss (0-10 GU)
2.6.16 Resistir a solventes Resistência química ASTM D543 Sem alteração no grau de brilho ou manchas
2.6.17 Reduzir peso Densidade ASTM D792, ISO 1183 Menor valor possível
Fonte: Autor (2017)
Nesta etapa, será realizada uma prévia seleção de materiais plásticos, a partir
do processo de compilação realizado para gerar um banco de dados com a ficha
técnica de vários materiais com aplicação no setor automotivo.
O resultado desta triagem preliminar apontou os materiais candidatos
qualificados para atender as funções do produto estipuladas anteriormente. Desta
forma, a especificação do produto inclui a análise de inúmeras propriedades, dentre
elas, resistência ao impacto, módulo de flexão, resistência ao impacto e resistência
térmica sob carga em elevadas temperaturas. Na Tabela 17, são mostrados os
materiais selecionados neste primeiro estágio da aplicação da metodologia para
seleção de materiais resistentes a riscos.
113
Tabela 17 - Propriedades mecânicas (base do espelho lateral retrovisor)
Polímero Fabricante Classe Aplicação
Módulo de Flexão 23 °C
2mm/min [MPa]
(ISO 178 )
Resistência ao impacto
com entalhe IZOD
23°C, 4mm [kJ/m² ]
(ISO 180/A)
Temperatura de deflexão sob ação de
cargas [°C]
(ISO 75-2)
PP
TRINSEO INSPIRE™ TF7000
ES
Painel de instrumentos, componentes inferiores e outras
aplicações de acabamento inferior 2400 29 61
BOREALIS DAPLEN
(EF198HP)
Painéis de instrumentos, revestimentos de assentos, painéis
das portas, consoles de centro, revestimentos dos pilares e
aplicações de interior automotivo
2000 (2.0 - 51) 1 95
ABS
Samsung (LOTTE
ADVANCED MATERIALS)
STAREX Heat Resistant
(SR-0340M) Aplicações no interior do veículo 2500 14 70
STAREX Heat Resistant SR-
0330M
Peças no interior do habitáculo do veículo
2350 14 96
Sabic CYCOLAC Resin
X11 Peças automotivas 2300 25 93
Ineos Styrolution
Novodur High heat Ultra 4000PG
Invólucro do espelho retrovisor, interior automotivo, itens de
decoração no interior 2350 23 98
Novodur P2MC Peças automotivas 2100 23 94
Novodur High heat H702
Espelhos retrovisores automotivos (pintados), invólucro da lanterna
traseira, peças automotivas 2400 17 99
Novodur High heat H604
Invólucro do espelho retrovisor, interior automotivo, itens de
decoração no interior 2400 21 98
ABS/PA Ineos
Styrolution
Terblend N NG-02 UV
Peças automotivas 2850 6 108
Terblend N NG-02EF
Peças automotivas 2800 12 118
PC/ABS
Samsung (LOTTE
ADVANCED MATERIALS)
General Purpose HP-1000XA
Console central, invólucro da lanterna traseira
2100 45 102
INFINO WP-1069 Console central, invólucro da lanterna traseira, ventilação
2300 44 105
INFINO WP-1089 Console central, invólucro da lanterna traseira
2200 46 107
Trinseo PULSE™ 2100LG Grade do para-choque, trilho do teto,
spoilers, invólucro de espelho retrovisor
2300 32 106
PC/ASA Lotte
Advanced Materials
INFINO WX-7010 Grade do radiador, invólucro do
espelho lateral retrovisor, rack de teto 2250 50 101
1 Resistência ao impacto média para materiais PP
Fonte: Autor (2017)
114
5.2.2 Filtro dos materiais candidatos – base do espelho lateral retrovisor
Em seguida, o índice de mérito (IM) é mensurado. Este valor é obtido pela
razão das variáveis de índice de fluidez e dureza superficial. A Tabela 18 apresenta
os materiais encontrados na triagem inicial com seus respectivos IMs.
Tabela 18 - Índice de mérito (base do espelho lateral retrovisor)
Polímero Fabricante Classe Aplicação Índice de Fluidez
(ISO 1134)
Dureza Superficial Rockwell [R scale]
(ISO 2039-2)
IM (Índice de
Fluidez / Dureza)
PP
TRINSEO INSPIRE™ TF7000 ES Painel de instrumentos,
componentes inferiores e outras aplicações de acabamento inferior
27 (60 – 88) 2 (0.306 - 0.45)
BOREALIS DAPLEN (EF198HP)
Painéis de instrumentos, revestimentos de assentos, painéis
das portas, consoles de centro, revestimentos dos pilares e
aplicações de interior automotivo
(7.85 – 18.1)1 (90 - 98) 2 (0.080 – 0.201) 3
ABS
Samsung (LOTTE
ADVANCED MATERIALS)
STAREX Heat Resistant (SR-0340M)
Aplicações no interior do veículo (1.30 - 41.2)1 110 (0.011 – 0.374) 3
STAREX Heat Resistant SR-0330M
Peças no interior do habitáculo do veículo
(1.30 - 41.2)1 113 (0.011 – 0.364) 3
Sabic CYCOLAC Resin X11 Peças automotivas (1.30 - 41.2)1 (97 - 117) 2 (0.011 – 0.352) 3
Ineos Styrolution
Novodur High heat Ultra 4000PG
Invólucro do espelho retrovisor, interior automotivo, itens de
decoração no interior 6 (97 - 117) 2 (0.051 - 0.061) 3
Novodur P2MC Peças automotivas 25 (97 - 117) 2
(0.213 - 0.257) 3
Novodur High heat H702 Espelhos retrovisores automotivos (pintados), invólucro da lanterna
traseira, peças automotivas 16 (97 - 117)
2 (0.136 - 0.164) 3
Novodur High heat H604 Invólucro do espelho retrovisor,
interior automotivo, itens de decoração no interior
8 (97 - 117) 2
(0.068 - 0.082) 3
ABS/PA Ineos
Styrolution
Terblend N NG-02 UV Peças automotivas 30 (116 - 118) 2
(0.254 - 0.258) 3
Terblend N NG-02EF Peças automotivas 40 (116 - 118) 2 (0.338 - 0.344) 3
PC/ABS
Samsung (LOTTE
ADVANCED MATERIALS)
General Purpose HP-1000XA
Console central, invólucro da lanterna traseira
(8.00 - 26.2)1 113 (0.070 – 0.231) 3
INFINO WP-1069 Console central, invólucro da lanterna traseira, ventilação
(8.00 - 26.2)1 113 (0.070 – 0.231) 3
INFINO WP-1089 Console central, invólucro da lanterna traseira
(8.00 - 26.2)1 113 (0.070 – 0.231) 3
Trinseo PULSE™ 2100LG Grade do para-choque, trilho do teto,
spoilers, invólucro de espelho retrovisor
(8.00 - 26.2)1 (90 - 121) 2 (0.066 – 0.291) 3
PC/ASA Lotte
Advanced Materials
INFINO WX-7010 Grade do radiador, invólucro do
espelho lateral retrovisor, rack de teto 30 110 0.272
1 Valores médios para Índice de Fluidez
2 Valores médios para Dureza superficial
3 Faixa de valores de índice de Mérito
Fonte: Autor (2017)
115
De acordo com os índices de méritos alcançados (ver Tabela 18), foram
relacionados os materiais com maiores valores e com perspectivas de oferecer
maior desempenho técnico ao projeto da peça. Assim sendo:
INSPIRE™ TF7000 ES (TRINSEO) - 0,603
Terblend N NG-02EF (Ineos Styrolution) - 0,341
INFINO WX-7010 (Lotte Advanced Materials) - 0,272
Terblend N NG-02 UV (Ineos Styrolution) - 0,256
Novodur P2MC (Ineos Styrolution) - 0,235
5.2.3 Seleção do material – base do espelho lateral retrovisor
Em continuidade, o próximo passo da metodologia é avaliar os materiais
candidatos já selecionados utilizando a técnica ponderacional. Dentre os critérios
definidos na ponderação, as funções “aumentar beleza”, “resistir a solventes” e
“reduzir peso” serão examinados neste momento, além dos elementos de
manufaturabilidade (envolvendo também a função “apresentar estabilidade
geométrica”), disponibilidade e custo, de acordo com os dados da Tabela 19.
116
Tabela 19 - Técnica ponderacional (Base do espelho lateral retrovisor)
FATOR PESO
CRITÉRIO INSPIRE™ TF7000 ES (INJEÇÃO)
Terblend N NG-02EF (INJEÇÃO)
INFINO WX-7010 (INJEÇÃO)
Terblend N NG-02 UV (INJEÇÃO)
Novodur P2MC
(INJEÇÃO)
DESEMPENHO 1
AUMENTAR BELEZA
RESISTIR A SOLVENTES
REDUZIR PESO
MANUFATURABILIDADE 1
PESO
ESPESSURA MÍNIMA
PRECISÃO DIMENSIONAL
COMPLEXIDADE
RUGOSIDADE SUPERFICIAL
TAXA DE PRODUÇÃO
CONTRAÇÃO NO MOLDE
ABSORÇÃO DE UMIDADE
DISPONIBILIDADE 1 AMÉRICA LATINA
CUSTO 1 PREÇO (EUR)/kg
TOTAL 7,63 11,29 13,29 11,29 11,63
Fonte: Autor (2017)
4
4
4
1
4
4
0
0
0
4
8
8
8
8 8
8
8
8
8
1
1
4 8
4 8
4
8
4
4 4
8 1
8 1
8 8
8
8 4
8 4
8 4
8
8
8
8
8
8
4
8
8
3
4
4
3
1
1
8
8
1
4
4
4 4
4 8
4 8
1 8
4 4 8
4 4
8
8
1
8
8
8
1
0
3
4
0
0 8
8
1
1
4
4
4 1
1
3
0
3
4
0
0
3
3
2 3 3
2 2 3 0
0 3 3 0 0
3
3
0 3
3 3 3 3 3 3 3 3 3 3
0
117
A partir da Tabela 19 constatou-se que ao empregar a técnica por
ponderação, o material INFINO WX-7010 apresentou a maior nota, sendo 13,29
pontos atingidos de até 16,00 pontos possíveis de serem alcançados. O maior
destaque deste material em relação aos outros, ocorreu nos seguintes critérios,
“aumentar beleza” (devido à boa resistência a intempéries) e custo do material, além
dos ótimos valores para absorção de umidade e contração no molde.
O material Novodur P2MC apresentou resultado interessante graças aos
critérios de contração no molde e absorção de umidade. No entanto, o mesmo
material não atendeu as especificações referentes a custo e obteve nota 3,
considerada satisfatória mas ainda assim inferior a outros candidatos.
Os outros materiais conquistaram notas inferiores por não satisfazerem toda a
especificação do elemento manufaturabilidade, embora os materiais avaliados sejam
processados pela mesma técnica de manufatura. Neste sentido, merece atenção a
capacidade de absorção de umidade do polímero, pois a base lateral do espelho
retrovisor está localizada na região exterior do veículo e que, portanto, pode haver
uma diminuição da elasticidade e rigidez do material, caso o mesmo venha reter
muito líquido.
Em relação ao custo, as estimativas são relativas considerando a tabela de
preços médios da Plasticker (2017). Dentre os materiais analisados o PP e PC/ASA
possuem custo relativamente inferior à família de plásticos ABS, que também é
bastante utilizada para aplicações automotivas. Além do mais, são competitivos em
comparação ao material ABS/PA também.
5.2.4 Documentação dos materiais selecionados – base do espelho lateral
retrovisor
O INFINO WX-7010 é um material da família PC/ASA, que apresenta boa
resistência às condições climáticas (intempéries). Este fator é considerado positivo
ao avaliar as condições que a peça estudada está exposta. A Figura 47 ilustra bem o
desempenho do material, ao mostrar o balanço de suas propriedades em relação a
outro material com valores médios da mesma família, portanto, é notável a sua
distinção para a resistência a intempéries e estabilidade térmica.
118
Figura 47 - Características PC/ASA WX-7010
Fonte: Lotte Advanced Materials (2016)
A mesma figura apresenta também dados referentes à exposição do material
a luz de arco de xênon na presença de umidade a fim de reproduzir a degradação
material (alteração de cor) quando expostos a efeitos climáticos (temperatura,
umidade e chuva), conforme descritos na norma ISO 4892. Como pode se identificar
o material WX-7010 possui índices menores de 3, sendo o maior valor alcançando
próximo de 1 quando exposto a 1500 KJ.
Alternativas de diferentes composições surgiram também nesse quadro final,
entre elas podem ser citadas, materiais com PP, ABS/PA e o próprio ABS. Com
resultados próximos ao primeiro colocado, os polímeros N NG-02EF, N NG-02 UV e
P2MC se diferenciam na resistência a intempéries, contração no molde e absorção
de umidade. Uma representação gráfica que demonstra o desempenho destes
materiais é mostrada no Gráfico 2 através de um gráfico de bolhas.
119
Gráfico 2 – Seleção de materiais plásticos resistentes a riscos – Base do espelho retrovisor
Fonte: Autor (2017)
5.3 ANÁLISE DOS RESULTADOS
Esta seção apresenta a análise proveniente dos resultados do trabalho,
incluindo uma observação sobre os aspectos positivos e negativos do método
proposto de seleção de materiais plásticos resistentes a riscos.
Foram avaliados 167 materiais plásticos disponíveis no mercado, de
empresas diversas como BASF, BOREALIS, BRASKEN, CELANESE, EXXON Mobil,
Ineos Styrolution, LG Chem Ltd., LOTTE ADVANCED MATERIALS, LyondellBasell
Industries, Sabic, Saudi Basic Industries Corporation e Trinseo. Verificou-se que
entre os materiais que melhor atenderam a especificação definida, alguns possuíam
como informação em sua ficha técnica, o uso dos materiais candidatos em espelhos
retrovisores e no interior do veículo. O que demonstra a assertividade da
metodologia em selecionar os materiais adequados para a aplicação estipulada.
Vale destaque a importância da análise do requisito que se refere a emissões,
mesmo não havendo a imposição do aspecto legal no Brasil. Convém esclarecer
que esta condição irá contrastar com a necessidade do fabricante de veículos em
120
exportar estes automóveis de fabricação nacional para mercados com esta
exigência em forma de lei. Por consequência, fabricantes interessados nestes
mercados irão desenvolver e aplicar normas internas (variadas), que possibilitem
este comércio. Portanto, um maior número de dados deve ser coletado em relação
as funções “minimizar emissões” e “eliminar odor”, considerando também o mercado
final do produto, uma vez que o uso de aditivos no material para inibir a emissão de
odores e particulados no interior do habitáculo do veículo produz um acréscimo de
despesas para o fabricante. O impacto que estes aditivos acarretaram na
propriedade de resistência a risco também deve ser estudada.
Com ênfase no uso de aditivos na matriz polimérica, notou-se a presença de
materiais desta classe entre os que tiveram melhores pontuações, com destaque
para cargas de mineral e fibra de vidro. Estes demonstraram bom desempenho nas
propriedades de resistência ao impacto e dureza superficial, conhecidas por estarem
diretamente relacionadas aos danos de riscos. E realmente foram demonstrados e
reconhecidos os ganhos econômicos pelo uso do PP, assim como a possibilidade de
ter no portfólio do produto materiais mais sustentáveis (recicláveis), como, por
exemplo, o DAPLEN EG265HP.
Embora o uso de aditivos contribua significativamente para o desempenho do
polipropileno, também é relevante mensurar os impactos no custo final do material e
examinar o aspecto final da peça quando houver elevadas porcentagens de carga.
Pois, custos adicionais referentes a acabamento irão encarecer o preço final do
produto, com a prática da texturização ou a necessidade de modificar o molde da
peça devido a dificuldades de remoção ou inclinação do componente.
Cabe mencionar ainda a importância das propriedades de resistência à fadiga
e resistência a deformação a longo prazo (fluência) como parte do processo de
avaliação e seleção de materiais plásticos, pois comtempla as observações sobre a
vida útil da peça. No entanto, esta pesquisa não abrangeu esse ponto, devido à
necessidade de realizar uma coleta de dados mais densa a cerca destas
propriedades. Além do fato de a norma solicitar que a peça seja submetida sob
carregamento constante por período mínimo de 1000h como condição de teste para
a realização do ensaio de fluência, o que implica em custos significativos para a
realização do mesmo.
121
6 ANÁLISE DO MÉTODO PROPOSTO
O objetivo desta seção do trabalho é apresentar a eficácia e reflexões sobre
as dificuldades do método proposto de seleção de materiais plásticos resistentes a
riscos para componentes automotivos.
É possível afirmar que o método foi adequado para a seleção de materiais
essencialmente por conta de sua simplicidade e rapidez de resposta. Logo, torna-se
possível conduzir inúmeros testes para confirmação dos resultados por diferentes
especialistas de uma mesma equipe.
Além disso, a variação do custo é gigantesca, quando se compara o custo de
aquisição, manutenção da licença e treinamento do software de Ashby com o
sistema idealizado nesta pesquisa. Portanto, existem vantagens competitivas em
relação a métodos similares já existentes.
Outra vantagem é o controle sobre os critérios estabelecidos na especificação
do produto, que podem abranger fatores com maior subjetividade, importantes para
o cliente como estética e qualidade percebida, por exemplo. Alguns destes fatores
podem inclusive fazer parte da decisão estratégica da montadora.
Através do estudo também ficou claro onde estão localizadas as dificuldades
mais significativas deste método, como a falta de confiabilidade no processo. Esta
pode comprometer os resultados, uma vez que o método de seleção necessita ser
reproduzido em uma quantidade maior de casos para a identificação de erros.
O tempo utilizado no inicio do projeto para reunir os dados dos materiais junto
aos fabricantes foi muito grande, em comparação com a execução dos estudos de
caso. Neste sentido, como oportunidade de melhoria deve-se, portanto, avaliar
outros meios de obter estas informações de modo que o tempo gasto e o desgaste
para realizar essa atividade possam ser diminuídos.
Ao implementar a ferramenta em uma empresa deve-se também verificar os
empecilhos que possam surgir diante de uma equipe multidisciplinar, pressionada a
atender prazos curtos. Ou as situações que poderão surgir quando engenheiros que
não possuam tanto conhecimento sobre materiais plásticos fizerem uso da
metodologia.
Diante da complexidade que o objetivo da pesquisa impôs, definiu-se a
estratégia adotada como sendo a melhor durante os estudos. Verificou-se ainda a
122
ausência de trabalhos práticos aplicados neste campo, pois não existem muitas
referências. Contudo, no futuro, com o desenvolvimento da ferramenta pode-se
identificar outra técnica ou forma mais interessante de se realizar a seleção de
materiais plásticos resistentes a risco.
6.1 ASPECTOS NEGATIVOS
Dentre os pontos a serem melhorados, o método proposto possui as
seguintes limitações:
A precisão dos dados é fundamental para a efetiva aplicação da metodologia,
uma vez que uma faixa de valores médios para materiais de uma família pode
ser muito ampla, e desta forma comprometer a seleção dos materiais já na
triagem inicial. Portanto, houve casos em que materiais com potencial
deixaram de participar no processo de escolha devido à falta de dados
materiais.
Permitir que a subjetividade do avaliador interfira na ponderação da matriz de
decisão.
Compilar todos os dados de materiais plásticos no banco de dados é
considerado uma tarefa trabalhosa.
Outra dificuldade encontrada foram os diferentes padrões, normas que tratam
o mesmo assunto, mas que, no entanto acabam gerando discrepâncias nos
dados coletados em testes, prejudicando assim a análise, não permitindo a
comparação entre os resultados.
6.2 ASPECTOS POSITIVOS
Destacam-se entre os principais pontos obtidos através do método os
seguintes aspectos:
Realizar uma análise ágil mesmo obtendo uma elevada quantidade de
materiais disponíveis para o processo de seleção. Favorecendo assim, a
redução da duração de tarefas do Processo de Desenvolvimento de Produtos
(PDP).
A ferramenta é capaz de guiar projetistas de modo que o tempo seja mais
bem utilizado na realização dos testes dos materiais.
123
O Índice de mérito permite identificar propriedades relevantes para o projeto
ao se trabalhar com funções. Pois, direciona o trabalho de pesquisa para
materiais com melhor desempenho e estimula a criatividade dos engenheiros
envolvidos.
A matriz de decisão de Pahl & Beitz é positiva por não ser focada somente no
desenvolvimento do produto, incluindo também aspectos de manufatura,
disponibilidade e custo.
A comparação realizada através da representação gráfica dos gráficos de
radar e de bolhas é de fácil entendimento.
Detectar funções desnecessárias ao projeto da peça com mais facilidade,
permitindo a proposta de novas composições materiais em conjunto com o
fabricante. Avaliando somente eventuais necessidades na matriz do material
para determinada aplicação ou região do veículo.
Efetuar o processo de engenharia reverso do componente da empresa
concorrente, uma vez que as funções e dados respectivos às propriedades
materiais tenham sido identificados com a realização de alguns testes.
124
7 CONCLUSÕES
Materiais plásticos são cada vez mais utilizados, em especial na indústria
automobilística, em substituição a partes metálicas. O segredo para um
desenvolvimento de produto com sucesso é a escolha adequada do material,
processo e requisitos apropriados. Além disso, devido à concorrência acirrada e com
o intuito de melhorar a qualidade dos produtos, os requisitos de projeto possuem
características mecânicas bem restritivas, tendo como destaque a resistência a
risco. Sendo assim, este trabalho teve como objetivo desenvolver uma metodologia
que permitisse identificar, de forma ágil e estruturada, o material plástico que atenda
os requisitos de projeto e, ao mesmo tempo, possuísse a maior resistência a risco
possível.
Ao executar a estratégia de seleção definida, dificuldades foram identificados
como a incerteza existente ao utilizar uma matriz que não é objetiva. Uma vez que
os resultados podem ser comprometidos pela subjetividade do avaliador na
ponderação. No entanto, não houve êxito em encontrar outra forma menos
prejudicial aos objetivos propostos.
Ademais, a consolidação dos dados de propriedades materiais demandou
muito tempo e grande disposição para a sua obtenção junto aos fabricantes. Este é
um fator fundamental para a execução do trabalho e cabe dizer que caso não seja
feita de forma apropriada pode gerar dificuldades e afetar os resultados. Para este
trabalho foi utilizado o software Excel para geração do banco de dados, mas convém
esclarecer que as empresas têm a acesso a mais informações e ferramentas mais
robustas, facilitando dessa forma a tarefa a ser realizada.
Além disso, não foram contemplados neste estudo os efeitos dos aditivos na
propriedade de resistência a riscos. Também é importante dizer que os materiais
encontrados durante o processo de seleção nos dois estudos de caso não são
materiais inovadores, mas sim materiais tradicionalmente já empregados pelos
fabricantes. Ou seja, seria relevante para a pesquisa se entre os resultados da
seleção um material novo fosse encontrado.
Sobretudo, o presente estudo não abordou com profundidade a relação
existente entre a forma geométrica do componente e o material. Esta deficiência
existente é explicada pelo fato que representaria em um aumento do grau de
125
complexidade para o estudo. Contudo, essas considerações enriqueceriam ainda
mais os testes realizados.
A metodologia proposta foi aplicada para dois casos distintos, um para uma
peça no interior do veículo, tampa do porta-luvas, e outra do exterior do automóvel,
base do espelho lateral retrovisor. A análise dos resultados demonstrou que a
ferramenta proposta tem como vantagem agilidade na seleção do material e o
benefício de, ao se trabalhar com funções, facilitar a priorização de características
que irão agregar valor ao produto.
Por fim, pode-se afirmar que a metodologia proposta é viável e que o
potencial da ferramenta será tornará mais consolidado quanto melhor for o banco de
dados utilizado, ressaltando com isso a necessidade de se trabalhar integrado com
os fornecedores e investir em pesquisa e procedimentos para aperfeiçoar o
processo de seleção de materiais. Porém, deve se lembrar de que é necessário
avançar consideravelmente no seguinte aspecto, uma quantidade maior de testes a
serem realizados para que o método se desenvolva mais, adquira maior
confiabilidade e diminua o seu grau de subjetividade. Pois, o mesmo não foi testado
suficientemente a fim de ter a sua eficácia comprovada. Para ser validada, a
metodologia necessita ser colocada em prática com um número maior de casos,
diversificando as aplicações do veículo também, caso contrário os resultados obtidos
talvez sejam comprometidos.
O Índice de mérito também necessita ser mais bem explorado, estudando
outras propriedades, a fim de distinguir qual o melhor resultado para o objetivo do
projeto. Seja utilizando propriedades como dureza superficial, resistência ao
impacto, densidade, custos, entre outras.
7.1 TRABALHOS FUTUROS
O método proposto não se apresenta definitivo, o tema é amplo e complexo.
Portanto, poderá sofrer alterações ao longo do tempo como melhoria contínua,
havendo sequência por não estar inteiramente finalizado. Logo, propõem-se
algumas sugestões:
i. Realizar novos testes com diferentes componentes para validar a
metodologia proposta para seleção de materiais plásticos resistentes a
riscos, pois só foram efetuados dois testes.
126
ii. Realização dos ensaios de longa duração (resistência à fadiga e à
deformação em longo prazo) para que se possa estimar com maior
precisão a vida útil dos componentes, pois estes dados são escassos
bem limitados pelos fabricantes de materiais. Com isso, também
espera-se obter dados capazes de contribuir com a análise de ciclo de
vida do produto.
iii. Priorização de requisitos técnicos com o objetivo de delimitar melhor o
campo de estudo, para que este não seja muito abrangente e dificulte
assim a percepção de alternativas oportunas (com elevado potencial).
iv. Outro ponto significativo e capaz de agregar valor em uma pesquisa
futura é a exploração de novas técnicas de fabricação (como
impressão 3D). Realizando assim, comparações destas técnicas com
as mais tradicionais. Além de avaliar e detalhar mais minuciosamente
os custos relativos ao molde do componente.
v. Identificação e abordagem de propriedades elétricas que sejam
relevantes para a seleção de materiais em estudos futuros, pois não
fizeram parte do escopo da pesquisa.
127
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